หลาก&หลาย - ‘ซินโครตรอน’ไทย ไขความลับ‘ขาตั๊กแตน’

นักวิจัยนานาชาติใช้แสงซินโครตรอนจากเครื่องกำเนิดแสงสยามในโคราชสำรวจอวัยวะภายในขาตั๊กแตน เพื่อทำความเข้าใจกลไกการรับรู้การเคลื่อนไหวของแมลงผ่านอวัยวะเล็กๆ ที่เกี่ยวข้องกับการได้ยิน การเคลื่อนไหว ไปจนถึงการวางไข่

สะท้อนบทบาทของประเทศไทยในการมีโครงสร้างพื้นฐานด้านวิทยาศาสตร์ขั้นสูงที่พร้อมสนับสนุนการวิจัยระดับนานาชาติ และเปิดโอกาสการค้นพบองค์ความรู้ใหม่ๆ

ตัวอย่างขาตั๊กแตน

สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนระบุว่า แสงที่มนุษย์พบเจอบนโลกนี้มีอยู่มากมาย ไม่ว่าแสงจากดวงอาทิตย์เวลากลางวัน แสงจากดวงดาวในยามค่ำคืน แสงจากหลอดไฟต่างๆ หรือแม้กระทั่งแสงจากการส่งสัญญาณของสัตว์อย่าง เช่น หิ่งห้อย เป็นต้น

แสงเหล่านี้มีทั้งเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติและมนุษย์สร้างขึ้น แต่ยังมีแสงอีกประเภทหนึ่งที่มีคุณสมบัติพิเศษ แตกต่างไปจากแสงประเภทอื่นๆ ที่กล่าวมา

แสงนี้มีความสว่างกว่าแสงในเวลากลางวันกว่าล้านเท่า ขนาดลำแสงเล็กได้ถึงในระดับไมโครเมตร (1 ใน 1,000,000 ของเมตร) อีกทั้งแสงนี้ยังครอบคลุม 4 ช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่แสงอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น แสงอัลตราไวโอเลต และรังสีเอ็กซ์

กุญแจสู่ความเข้าใจตั๊กแตน

ความลับที่ซ่อนในขาตั้๊กแตน

โดยแสงนี้นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า “แสงซินโครตรอน” โดยไทยถือเป็นชาติที่มีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนขนาดใหญ่ที่สุดในกลุ่มชาติอาเซียน

ตัวแทนทีมวิจัยนานาชาติจากไทย อังกฤษ ฝรั่งเศส เยอรมนี และสหรัฐอเมริกา ซึ่งทำวิจัยเกี่ยวกับการรับรู้เชิงกลของแมลง นำตัวอย่าง ‘ขาตั๊กแตน’ มาศึกษาด้วยเทคนิคแสงซินโครตรอน ที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัย และนวัตกรรม (อว.) จ.นครราชสีมา โดยใช้เทคนิคเอกซเรย์โทโมกราฟี (X-ray Tomography) ซึ่งเป็นเทคนิคการถ่ายภาพเอกซเรย์สามมิติความละเอียดสูง

ดร.อติเทพ ไชยสิทธิ์ นักวิจัยมหาวิทยาลัยเลสเตอร์ (University of Leicester) สหราชอาณาจักร หัวหน้าโครงการวิจัย ซึ่งได้รับทุนจากโครงการ Human Frontier Science Program (HFSP) ซึ่งเป็นโครงการสนับสนุนงานวิจัยพื้นฐานระดับนานาชาติ และเป็นนักวิจัยเยือน (Visiting Research Scholar) ที่ศูนย์วิจัยเพื่อความเป็นเลิศพาหะและโรคที่นำโดยพาหะ (CVVD) และภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล กล่าวว่า

อติเทพ ไชยสิทธิ์

ทีมวิจัยนำตัวอย่างขาตั๊กแตนมาถ่ายภาพสามมิติด้วยเทคนิคแสงซินโครตรอนเพื่อศึกษาอวัยวะรับรู้การงอพับขาที่เรียกว่า Femoral Chordotonal Organ (FeCO) ซึ่งเป็นอวัยวะในกลุ่ม Chordotonal Organ ที่แมลงใช้ในการรับรู้สิ่งเร้าต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นการได้ยิน การเคลื่อนไหว หรือการวางไข่

“ทีมของเรามีความสนใจร่วมกันในเรื่องการรับรู้เชิงกลในแมลง โดยเฉพาะกระบวนการเปลี่ยนสิ่งเร้าเชิงกลให้กลายเป็นสัญญาณประสาทไฟฟ้า ซึ่งแมลงใช้อวัยวะในกลุ่ม Chordotonal Organ รับรู้สิ่งเร้าต่างๆ โดยภายในอวัยวะนี้ประกอบด้วยกลุ่มเซลล์ประสาทที่มีรยางค์นำสัญญาณประสาทเข้าสู่เซลล์ หรือ ‘เดนไดรต์’ (dendrite) ที่เรียงตัวกันจนเหมือนเป็นเส้น และมีสมมติฐานว่าอวัยวะนี้จะถูกกระตุ้นเมื่อรยางค์นำสัญญาณประสาทได้รับการยืดดึง และด้วยหลักการง่ายๆ ดังกล่าวจึงเกิดคำถามว่าอวัยวะนี้สามารถทำหน้าที่อันหลากหลายตั้งแต่การได้ยินไปจนถึงการยืดดึงระดับเซลล์ได้อย่างไร” ดร.อติเทพกล่าว

สำหรับโครงการวิจัยที่ทำการทดลองที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนนั้น ทีมวิจัยต้องการศึกษาว่าตั๊กแตนสามารถรับรู้องศาการงอพับขาได้อย่างไร

ก่อนหน้านี้มีการศึกษาพบว่าอวัยวะ FeCO ที่ตั๊กแตนใช้ในการรับรู้การงอพับขานั้นจะมีรูปแบบสัญญาณประสาทไฟฟ้าที่แตกต่างกันเมื่อขาถูกกางออกหรือถูกพับงอ ทีมวิจัยจึงพยายามหาความสัมพันธ์ระหว่างมุมพับงอของข้อขาตั๊กแตนสัญญาณประสาทไฟฟ้า และปัจจัยเชิงกลโดยเฉพาะแรงที่กระทำต่ออวัยวะ FeCO ระหว่างมีการงอพับข้อขา

ดร.อติเทพอธิบายถึงเป้าหมายในการศึกษาข้อขาตั๊กแตนด้วยเทคนิคแสงซินโครตรอนว่า เป้าหมายหลักส่วนแรกคือการสร้างแบบจำลองสามมิติของ FeCO เพื่อศึกษาการกระจายตัวของเซลล์ประสาท และรยางค์นำสัญญาณประสาทในสามมิติ

อวัยวะรับความรู้สึก FeCO

รายละเอียดจากแสงซินโครตรอน

เนื่องจากเราต้องการเข้าใจว่าเซลล์ประสาทต่างๆ ภายใน FeCO มีการรวมกลุ่มกันอย่างไร รยางค์นำสัญญาณประสาทมีการยึดโยงกับตำแหน่งต่างๆ ภายในขาอย่างไร และการงอพับข้อขาของตั๊กแตนนำไปสู่การยืดหดของอวัยวะนี้อย่างไร

ส่วนที่สองคือ การนำโครงสร้างสามมิติไปสร้างแบบจำลองเชิงกลด้วยเทคนิค Finite Element Modelling (FEM) โดยเรามีสมมติฐานว่าเมื่อตั๊กแตนงอขาในมุมต่างๆ อวัยวะ FeCO จะมีรูปแบบการยืดหดที่แตกต่างกัน

และจะส่งผลให้มีรูปแบบของแรงที่กระทำในระดับอวัยวะและเซลล์มีความแตกต่างกัน จนนำไปสู่การกระตุ้นกลุ่มของเซลล์ประสาทที่แตกต่างกันไปด้วย

เบนจามิน วอร์เรน

ด้าน ดร.เบนจามิน วอร์เรน นักวิจัยร่วมในโครงการจากมหาวิทยาลัยคีล (Keele University) สหราชอาณาจักร ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านสรีรวิทยาการได้ยินของแมลง ได้ทดลองใช้แสงซินโครตรอนด้วยเทคนิคเอกซเรย์โทโมกราฟีเป็นครั้งแรก ในการศึกษาการรับรู้เชิงกลภายในขาตั๊กแตนร่วมกับดร.อติเทพ กล่าวว่า

หากใช้เทคนิคอื่นจะไม่สามารถให้ข้อมูลที่ได้รายละเอียดสูงเหมือนเทคนิคที่ใช้แสงซินโครตรอนนี้ และใช้เวลาวัดตัวอย่างด้วยเวลาที่สั้นเพียง 6 นาที

ก่อนหน้านี้ทีมของเราเคยใช้เทคนิค Focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) ซึ่งมีความละเอียดสูงมากในระดับไม่กี่นาโนเมตร แต่วิธีหลังนี้ใช้ทรัพยากรค่อนข้างมาก และใช้เวลาในการเตรียมตัวอย่างนาน อีกทั้งตัวอย่างยังถูกทำลายระหว่างการสร้างภาพสามมิติด้วย

จากการใช้บริการแสงซินโครตรอนในครั้งนี้ ดร.อติเทพระบุว่า ทีมวิจัยเชื่อว่าเทคนิคเอกซเรย์โทโมกราฟีของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน และความเชี่ยวชาญของทีมงานระบบลำเลียงแสง 1.2W ของสถาบันสามารถช่วยให้ทีมวิจัยบรรลุผลการวิจัยได้ และในขณะเดียวกันเห็นว่าเป็นโอกาสดีในการผลักดันให้เกิดจากประสานงานวิจัยทางประสาทวิทยา ทั้งที่มาจากการร่วมมือกับทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติและภายในประเทศไทย เข้ากับเทคโนโลยีซินโครตรอนมากขึ้น

ภาพ – สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน