ติดตามสารเคมีในสมองขณะยาออกฤทธิ์
ชิปไร้สายที่ฝังในเปลือกสมองส่วนหน้าของหมูขนาดเล็กติดตามการเพิ่มขึ้นของสารเคมีที่เกี่ยวข้องกับความจำ หลังสัตว์ได้รับโดเนเปซิล ซึ่งเป็นยาที่ใช้รักษาโรคอัลไซเมอร์ จากนั้นสัญญาณค่อย ๆ กลับสู่ระดับเริ่มต้น ทำให้นักวิจัยมองเห็นการตอบสนองทางเคมีของสมองต่อยาได้อย่างต่อเนื่อง
สารบัญ
- ติดตามสารเคมีในสมองขณะยาออกฤทธิ์
- เหตุใดนักวิจัยจึงติดตามอะเซทิลโคลีน
- การวัดต่อเนื่องแบบไร้สายเปลี่ยนอะไรบ้าง
- ชิปแปลงปฏิกิริยาเคมีเป็นสัญญาณที่อ่านได้อย่างไร
- การทดลองแยกในหนูทดสอบการกระตุ้นด้วยแสง
- การวัดสมองจะช่วยกำหนดสิ่งกระตุ้นครั้งต่อไปได้หรือไม่
- อุปกรณ์อาจช่วยการวิจัยยาได้อย่างไร
- การตีพิมพ์ ความร่วมมือ และการนำไปใช้เชิงพาณิชย์
- ประเด็นสำคัญ
งานวิจัยนี้นำโดยศาสตราจารย์คยองอิน จาง จากภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลของ KAIST โดยผสานเซนเซอร์ตรวจวัดอะเซทิลโคลีน แหล่งกำเนิดแสงขนาดเล็ก และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการวัดแบบไร้สาย เป้าหมายคือช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ติดตามการเปลี่ยนแปลงภายในบริเวณหนึ่งของสมองได้ในขณะที่เกิดขึ้น แทนที่จะรอเก็บตัวอย่างภายหลัง หรือประเมินยาจากการเปลี่ยนแปลงของพฤติกรรมเป็นหลัก
ผลการวิจัยเผยแพร่เมื่อวันที่ 14 ตุลาคม 2026 ในวารสาร Device ซึ่งจัดพิมพ์โดย Cell Press ส่วน KAIST ประกาศผลงานเมื่อวันที่ 27 ตุลาคม ผู้ร่วมวิจัยประกอบด้วยสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแทกูคยองบุก (DGIST) สถาบันวิจัยสมองเกาหลี (KBRI) และสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์ชีวภาพและเทคโนโลยีชีวภาพเกาหลี (KRIBB)
การทดลองวัดการตอบสนองทางเคมีในสมองของสัตว์ การประเมินประโยชน์ต่อผู้ป่วยยังต้องอาศัยการวิจัยเพิ่มเติม รวมถึงการทดสอบว่าชิปที่ฝังในสมองจะปลอดภัยและวัดค่าได้อย่างน่าเชื่อถือในระยะยาวหรือไม่
เหตุใดนักวิจัยจึงติดตามอะเซทิลโคลีน
อะเซทิลโคลีนเป็นสารสื่อประสาท ซึ่งเป็นสารเคมีที่ส่งข้อมูลระหว่างเซลล์ประสาท มีส่วนช่วยในการเรียนรู้และความจำ จึงเป็นเป้าหมายที่มีประโยชน์สำหรับนักวิจัยที่ศึกษาผลของยาต่อการทำงานเหล่านี้
โดเนเปซิลออกฤทธิ์ต่ออะเซทิลโคลีนเอสเทอเรส ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่สลายอะเซทิลโคลีน เมื่อยาขัดขวางการทำงานของเอนไซม์นี้ สารสื่อประสาทก็จะคงฤทธิ์ได้นานขึ้น การติดตามอะเซทิลโคลีนหลังให้ยาจึงช่วยให้นักวิจัยสังเกตกระบวนการส่วนหนึ่งที่เกิดขึ้นภายในสมองได้
ทีมวิจัยเลือกศึกษาเปลือกสมองส่วนหน้า ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้วิจารณญาณ ความสนใจ และความจำ หลังฝังชิปและให้โดเนเปซิล นักวิจัยบันทึกสัญญาณอะเซทิลโคลีนที่เพิ่มขึ้น ก่อนจะค่อย ๆ ลดลงกลับไปใกล้ค่าพื้นฐาน ซึ่งหมายถึงระดับที่บันทึกไว้ก่อนการรักษา
สัญญาณที่เปลี่ยนแปลงนี้มีประโยชน์ เพราะฤทธิ์ของยาค่อย ๆ เกิดขึ้นตามเวลา การวัดเพียงครั้งเดียวอาจจับได้ทั้งช่วงที่สัญญาณเพิ่มขึ้นหรือช่วงที่ฟื้นกลับ ขณะที่การบันทึกต่อเนื่องแสดงให้เห็นว่าระยะต่าง ๆ เกิดต่อเนื่องกันอย่างไร
การวัดต่อเนื่องแบบไร้สายเปลี่ยนอะไรบ้าง
นักวิจัยมักประเมินยาสำหรับโรคทางสมองด้วยการทดสอบความจำ พฤติกรรม หรือการถ่ายภาพ วิธีเหล่านี้ตอบคำถามต่างจากเซนเซอร์ที่วางไว้โดยตรงในบริเวณสมอง กล่าวคือ วิธีเหล่านั้นติดตามความสามารถหรือกิจกรรมโดยรวมได้ ส่วนชิปติดตามการตอบสนองทางเคมีเฉพาะจุดที่ฝังอุปกรณ์ไว้
การเก็บตัวอย่างของเหลวจากสมองโดยตรงอาจใช้เวลาหลายนาทีหรือมากกว่านั้นต่อหนึ่งตัวอย่าง อุปกรณ์ใหม่นี้ใช้ติดตามการเปลี่ยนแปลงแบบวินาทีต่อวินาที จึงบันทึกสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาสั้น ๆ ได้ละเอียดขึ้น
วงจรขนาดเล็กประมวลผลค่าที่วัดได้แล้วส่งข้อมูลผ่านบลูทูธไปยังอุปกรณ์ภายนอก นักวิจัยจึงรับข้อมูลได้โดยไม่ต้องใช้สายส่งข้อมูลเชื่อมสัตว์ไว้กับอุปกรณ์บันทึก
นักวิจัยใช้หมูขนาดเล็กเพราะสมองมีขนาดและโครงสร้างใกล้เคียงกับสมองมนุษย์มากกว่าสมองของสัตว์ฟันแทะ KRIBB จัดหาสัตว์และสนับสนุนการผ่าตัด โดยให้ทั้งสถานที่และความเชี่ยวชาญที่จำเป็นต่อการวิจัยส่วนนี้
ชิปแปลงปฏิกิริยาเคมีเป็นสัญญาณที่อ่านได้อย่างไร
อะเซทิลโคลีนต้องถูกแปลงให้อยู่ในรูปที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของชิปวัดได้ เซนเซอร์ใช้เอนไซม์กระตุ้นปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เกิดไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ จากนั้นอิเล็กโทรดจะแปลงผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยานี้เป็นกระแสไฟฟ้า
ชั้นตรวจวัดประกอบด้วยไคโตซานที่มีรูพรุน ผสานกับเส้นลวดนาโนเงินและแพลทินัมที่บางเป็นพิเศษ ไคโตซานเป็นวัสดุที่สกัดได้จากเปลือกสัตว์จำพวกกุ้งและปู รูพรุนขนาดเล็กจำนวนมากทำให้มีพื้นที่ผิวกว้างสำหรับให้เอนไซม์ตรวจจับยึดเกาะ
เส้นลวดนาโนช่วยแปลงไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า วัสดุพรุนและเส้นลวดนำไฟฟ้าจึงทำงานร่วมกัน เชื่อมโยงเหตุการณ์ทางเคมีในสมองเข้ากับค่าที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บันทึกได้
โมเลกุลอื่นในสมองก็สามารถสร้างสัญญาณที่อิเล็กโทรดได้เช่นกัน เพื่อลดการรบกวน โพรบแบบบางจึงมีอิเล็กโทรดด้านหนึ่งเคลือบเอนไซม์ และอีกด้านไม่มีเอนไซม์
ระบบเปรียบเทียบค่าที่อ่านได้จากอิเล็กโทรดทั้งสองและหักลบสัญญาณที่เหมือนกัน วิธีนี้ช่วยแยกการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับอะเซทิลโคลีนออกจากกิจกรรมทางเคมีพื้นหลัง จากนั้นค่าที่ได้จะผ่านวงจรขนาดเล็กก่อนส่งออกจากตัวสัตว์
การทดลองแยกในหนูทดสอบการกระตุ้นด้วยแสง
ชิปยังมีไดโอดเปล่งแสงขนาดจิ๋ว หรือไมโครแอลอีดี ซึ่งส่งแสงเข้าไปในสมองได้ นักวิจัยทดสอบส่วนประกอบนี้ในการทดลองแยกต่างหากกับหนูดัดแปลงพันธุกรรม โดย KBRI สนับสนุนการผ่าตัดและการทดลอง
หนูเหล่านี้มีเซลล์ประสาทที่ผ่านการดัดแปลงให้ตอบสนองต่อแสง เทคนิคนี้เรียกว่าออปโตเจเนติกส์ ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์กระตุ้นเซลล์ที่เลือกไว้ด้วยแสง แทนการพึ่งพาการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว
เมื่อนักวิจัยเปิดแหล่งกำเนิดแสงของชิป ก็ตรวจพบสัญญาณอะเซทิลโคลีนเพิ่มขึ้น ผลนี้แสดงว่าอุปกรณ์เดียวกันสามารถส่งสิ่งกระตุ้นและตรวจจับการตอบสนองทางเคมีที่เกี่ยวข้องได้
งานวิจัยจึงประกอบด้วยการทดลองสองขั้นตอนที่แยกจากกัน ได้แก่ การติดตามการตอบสนองต่อโดเนเปซิลในหมูขนาดเล็ก และการติดตามการตอบสนองต่อแสงในหนูดัดแปลงพันธุกรรม การทดลองแต่ละส่วนทดสอบการทำงานคนละด้านของอุปกรณ์แบบผสาน
การวัดสมองจะช่วยกำหนดสิ่งกระตุ้นครั้งต่อไปได้หรือไม่
จางและเพื่อนร่วมงานมองว่าการผสานการตรวจวัดกับการกระตุ้นเป็นจุดเริ่มต้นของส่วนเชื่อมต่อประสาทแบบวงปิด พูดให้เข้าใจง่ายคือระบบที่วัดการตอบสนอง แล้วใช้ผลที่ได้ตัดสินใจว่าจะทำอะไรต่อ
อุปกรณ์รุ่นต่อไปอาจตรวจจับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหลังการกระตุ้น แล้วปรับเวลาหรือความแรงของสิ่งกระตุ้นครั้งถัดไป การรวมเซนเซอร์กับแหล่งกำเนิดแสงไว้ในอุปกรณ์เดียวเปิดทางให้ศึกษากระบวนการดังกล่าว
จาง ศาสตราจารย์จาก KAIST ซึ่งเป็นหัวหน้าทีมวิจัยและผู้ประสานงานบทความ อธิบายเป้าหมายไว้ว่า:
การศึกษานี้วางรากฐานให้กับเทคโนโลยีที่ติดตามการเปลี่ยนแปลงในสมองและปรับการกระตุ้นตามการตอบสนองของสมอง
งานวิจัยปัจจุบันวางพื้นฐานเชิงทดลองสำหรับแนวทางนี้ การพัฒนาระบบที่เลือกและส่งสิ่งกระตุ้นได้อย่างน่าเชื่อถือตามสัญญาณสมองที่เปลี่ยนแปลงยังต้องผ่านการทดสอบเพิ่มเติม
อุปกรณ์อาจช่วยการวิจัยยาได้อย่างไร
นักวิจัยอาจใช้การบันทึกอะเซทิลโคลีนอย่างต่อเนื่องเพื่อเปรียบเทียบผลหลังให้ยาในขนาดต่างกัน หรือเว้นช่วงระหว่างการให้ยาไม่เท่ากัน แทนที่จะบันทึกเพียงว่าสัญญาณเพิ่มขึ้นหรือไม่ ก็สามารถตรวจสอบได้ว่าสัญญาณเพิ่มขึ้นเมื่อใด เปลี่ยนแปลงอย่างไร และกลับไปใกล้ระดับเริ่มต้นเมื่อใด
ค่าที่วัดได้อาจช่วยเชื่อมโยงตารางการรักษากับการตอบสนองทางเคมีในบริเวณสมองที่เลือกไว้ นอกจากนี้ยังนำไปพิจารณาร่วมกับการทดสอบพฤติกรรมและการวัดแบบอื่น ๆ เมื่อนักวิจัยศึกษาฤทธิ์ของยาได้
งานวิจัยนี้ยังทิ้งคำถามเชิงปฏิบัติไว้สำหรับการพัฒนาต่อไปหลายข้อ เช่น ความปลอดภัยเมื่อฝังอุปกรณ์เป็นเวลานาน และความคงที่ของค่าที่อ่านได้เมื่อเวลาผ่านไป สำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่เปรียบเทียบการทดลองซึ่งทำห่างกันหลายวันหรือหลายสัปดาห์ เซนเซอร์ต้องวัดได้สม่ำเสมอเพียงพอให้การเปรียบเทียบมีประโยชน์
สำหรับผู้ที่ใช้ชีวิตอยู่กับโรคอัลไซเมอร์ อุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้นในระยะนี้เป็นเครื่องมือวิจัย การนำไปใช้กับมนุษย์ต้องผ่านการตรวจสอบเพิ่มเติม และยังไม่มีการประกาศกำหนดเวลาทดลองในมนุษย์
การตีพิมพ์ ความร่วมมือ และการนำไปใช้เชิงพาณิชย์
การศึกษานี้ผสานงานวิศวกรรม การตรวจวัดทางเคมี และการทดลองในสัตว์จากสถาบันเกาหลีใต้สี่แห่ง ซนจีอึน โอเซฮยอก และฮาจองแด นักวิจัยจาก DGIST เป็นผู้เขียนลำดับแรกที่ร่วมกัน ส่วนจางเป็นผู้ประสานงานบทความและรับผิดชอบการติดต่อเกี่ยวกับงานวิจัย
การตีพิมพ์และประกาศผลงานเป็นไปตามกำหนดการดังนี้:
- 14 ตุลาคม 2026: วารสาร Device เผยแพร่ผลการศึกษาเกี่ยวกับชิปฝังสมองและการทดลองในสัตว์
- 27 ตุลาคม 2026: KAIST ประกาศงานวิจัยและแผนพัฒนาต่อยอด
บทความมีชื่อว่า "ชิปประสาทฝังสมองที่มีการตรวจวัดทางเคมีไฟฟ้าและการกระตุ้นด้วยแสงแบบออปโตเจเนติกส์ เพื่อติดตามการตอบสนองทางเภสัชวิทยาของระบบโคลิเนอร์จิก" DOI คือ 10.1016/j.device.2026.101329 ในชื่อบทความ การตรวจวัดทางเคมีไฟฟ้าหมายถึงการแปลงปฏิกิริยาเคมีเป็นค่าทางไฟฟ้า ส่วนคำว่าโคลิเนอร์จิกหมายถึงการส่งสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับอะเซทิลโคลีน
ทีมมีแผนนำผลงานไปพัฒนาเชิงพาณิชย์ผ่าน N-Side Inc. สตาร์ตอัปที่จางเป็นผู้ก่อตั้งในฐานะคณาจารย์ การพัฒนาอุปกรณ์ทดลองให้เป็นผลิตภัณฑ์วิจัยที่เชื่อถือได้ต้องคำนึงถึงประเด็นเดียวกับที่สำคัญในห้องปฏิบัติการ ได้แก่ ความปลอดภัยในการฝังอุปกรณ์และความน่าเชื่อถือของการวัดที่คงที่
ประเด็นสำคัญ
- ทีมวิจัยที่นำโดย KAIST ใช้ชิปไร้สายฝังสมองติดตามสัญญาณอะเซทิลโคลีน หลังให้โดเนเปซิลแก่หมูขนาดเล็ก
- สัญญาณเพิ่มขึ้นหลังให้ยา แล้วค่อย ๆ กลับไปใกล้ระดับเริ่มต้น
- อุปกรณ์ผสานการตรวจวัดทางเคมี แหล่งกำเนิดแสงขนาดเล็ก และการส่งข้อมูลผ่านบลูทูธ
- การทดลองแยกในหนูดัดแปลงพันธุกรรมตรวจพบสัญญาณอะเซทิลโคลีนเพิ่มขึ้นหลังการกระตุ้นด้วยแสง
- การใช้งานที่เป็นไปได้ ได้แก่ การเปรียบเทียบการตอบสนองต่อยา และการพัฒนาการกระตุ้นที่ปรับตามกิจกรรมสมองที่วัดได้
- ก่อนนำไปใช้กับมนุษย์ ต้องทดสอบเพิ่มเติมทั้งความปลอดภัยเมื่อติดตั้งเป็นเวลานานและความคงที่ของการวัด
