สวิตช์แสงในสมอง

บทนำ · ข่าวนี้สำคัญอย่างไร

สวิตช์แสงในสมอง

เมื่อวันที่ 5 ตุลาคม 2026 สมัชชาโนเบลแห่งสถาบันคาโรลินสกาประกาศมอบรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ให้คาร์ล ไดส์เซอรอท (มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด) ปีเตอร์ เฮเกมันน์ (มหาวิทยาลัยฮุมโบลดต์แห่งเบอร์ลิน) และเกออร์ก นาเกิล (มหาวิทยาลัยเวิร์ซบวร์ก) “จากการค้นพบเกี่ยวกับช่องไอออนที่ควบคุมด้วยแสงและออปโตเจเนติกส์” ผลงานนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สั่งเปิดหรือปิดการทำงานของเซลล์ประสาทแต่ละชนิดได้ด้วยแสง แม่นยำถึงระดับมิลลิวินาที

เซลล์ประสาทในสมองมนุษย์

~86,000 ล้าน

และมีเซลล์ที่ไม่ใช่เซลล์ประสาทอีกจำนวนใกล้เคียงกัน

เงินรางวัล

12 ล้านโครนา

มอบร่วมกันแก่ผู้ได้รับรางวัลทั้งสาม

สรุปแนวคิดในบรรทัดเดียว

ยืมช่องไอออนที่ไวแสงมาจากสาหร่ายสีเขียว ใส่ยีนของมันเข้าไปในเซลล์ประสาทที่เลือก แล้วฉายแสงวาบให้เซลล์นั้นทำงาน

สมองทางซ้ายวาดเป็นกลุ่มจุด แต่ละจุดแทนเซลล์ประสาทจริงหลายล้านเซลล์ จุดที่กะพริบคือเซลล์ที่กำลังส่งสัญญาณ

วิธีใช้: เลือกบทใต้ภาพ หรือกด ← → เพื่อเปลี่ยนขั้น · ▶ เล่นขั้นนั้น · ลากเพื่อหมุน เลื่อนหรือถ่างนิ้วเพื่อซูม · ปุ่มในกล่องมุมขวาบนให้คุณลองทำการทดลองเอง · “เล่นภาพยนตร์” จะเล่นทุกขั้นแบบเต็มจอ

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): NobelPrize.org: Physiology or Medicine 2026; NPR (5 Oct 2026); STAT News (5 Oct 2026); Azevedo et al., J. Comp. Neurol. 2009 (neuron count)

บทที่ I · ขั้นที่ 1

สายไฟที่มีชีวิต

เซลล์ประสาทมีส่วนทำงานหลักสามส่วน คือ เดนไดรต์ (dendrite) กิ่งก้านที่รับสัญญาณ ตัวเซลล์ ที่รวมสัญญาณทั้งหมด และ แอกซอน (axon) สายยาวที่นำสัญญาณของเซลล์ออกไป ที่ปลายแอกซอนมี ไซแนปส์ (synapse) ส่งต่อข้อความให้เซลล์ถัดไปด้วยสารเคมีที่เรียกว่าสารสื่อประสาท

1. สัญญาณเข้ามาที่เดนไดรต์ ดันแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ให้สูงขึ้นหรือต่ำลงเล็กน้อย
2. ถ้าแรงดันที่ตัวเซลล์ถึงระดับขีดเริ่ม เซลล์จะยิงพัลส์แบบ “ทั้งหมดหรือไม่มีเลย” เรียกว่าศักยะงาน (action potential)
3. พัลส์วิ่งไปตามแอกซอน ปลอกไขมันที่เรียกว่าไมอีลินช่วยให้มันกระโดดข้ามจากช่องว่างหนึ่งไปอีกช่องหนึ่ง เร็วขึ้นและประหยัดพลังงาน
4. ที่ไซแนปส์ กลูตาเมตมักกระตุ้นเซลล์ถัดไป ส่วนกาบา (GABA) มักยับยั้ง

กราฟมุมซ้ายบนคือแรงดันไฟฟ้าของตัวเซลล์ ทำให้ช้าลงเพื่อให้มองตามทัน ยอดแหลมสูงแต่ละยอดคือศักยะงานหนึ่งครั้ง

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): Biological Psychology (open textbook): communication within and between neurons

บทที่ I · ขั้นที่ 2

ผิวเซลล์ที่มีประจุ

เยื่อหุ้มเซลล์เป็นโมเลกุลไขมันเรียงกันสองชั้น ไอออนมีประจุไฟฟ้าจึงทะลุชั้นไขมันนี้เองไม่ได้ ต้องผ่านโปรตีนเท่านั้น ได้แก่ ปั๊ม ที่ใช้พลังงานขนไอออน และ ช่องไอออน ซึ่งเป็นรูที่เปิดปิดได้

Na⁺ โซเดียมส่วนใหญ่อยู่นอกเซลล์ K⁺ โพแทสเซียมส่วนใหญ่อยู่ในเซลล์ Cl⁻ คลอไรด์ส่วนใหญ่อยู่นอกเซลล์

ปั๊มโซเดียม–โพแทสเซียม

ออก 3 : เข้า 2

ใช้ ATP ซึ่งเป็นพลังงานของเซลล์

ศักย์ไฟฟ้าขณะพัก

ราว −70 mV

ภายในเทียบกับภายนอก

กด “เดินปั๊ม” เพื่อดูการทำงานหนึ่งรอบ ไอออนในภาพวาดให้ใหญ่และน้อยกว่าของจริงมาก

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): Biological Psychology (open textbook): communication within and between neurons

บทที่ I · ขั้นที่ 3 · ปี 1952

ยอดแหลมของสัญญาณ

ศักยะงานคือการกลับขั้วของแรงดันไฟฟ้าที่เยื่อหุ้มเซลล์ชั่วขณะ มันเป็นแบบ ทั้งหมดหรือไม่มีเลย ถ้าไม่ถึงขีดเริ่มก็ไม่เกิดอะไร แต่ถ้าถึงเมื่อไร เซลล์จะยิงสัญญาณเต็มขนาดทุกครั้ง

1. ขีดเริ่ม (ราว −55 mV): ช่องโซเดียมที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้าเปิด
2. ช่วงขาขึ้น: Na⁺ ทะลักเข้า ภายในเซลล์ขึ้นไปถึงราว +40 mV
3. ช่วงขาลง: ช่องโซเดียมปิด ช่องโพแทสเซียมเปิด K⁺ ไหลออก
4. ฟื้นตัว: แรงดันจุ่มต่ำกว่าระดับพักเล็กน้อย แล้วปั๊มจะคืนสมดุล

อลัน ฮอดจ์กิน และแอนดรูว์ ฮักซ์ลีย์ วัดกระแสไอออนเหล่านี้ในแอกซอนยักษ์ของปลาหมึก แล้วอธิบายด้วยชุดสมการที่ตีพิมพ์ในปี 1952 ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลปี 1963 ร่วมกับจอห์น เอกเคิลส์ จากการค้นพบกลไกของไอออนในการกระตุ้นและยับยั้งเซลล์ประสาท ลองกด “กระตุ้น” เพื่อยิงสัญญาณเอง

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): Biological Psychology (open textbook): communication within and between neurons; NobelPrize.org: Physiology or Medicine 1963; University of Cambridge: Hodgkin and Huxley

บทที่ II · ขั้นที่ 4

เครื่องมือที่หยาบเกินไป

ในสมองมีเซลล์ประสาทหลายชนิดอยู่ปะปนกัน เชื่อมต่อกันเป็นวงจร ถ้าอยากรู้ว่าเซลล์ชนิดหนึ่งทำอะไร ก็ต้องสั่งเปิดเฉพาะเซลล์ชนิดนั้นในจังหวะที่ต้องการพอดี แล้วดูว่าอะไรเปลี่ยนไป

ขั้วไฟฟ้า

เร็วแต่ไม่เลือก

กระตุ้นทุกเซลล์และทุกเส้นใยใกล้ปลายขั้ว

ยา

เลือกได้แต่ช้า

ใช้เวลาเป็นนาทีกว่าจะออกฤทธิ์และหมดฤทธิ์

สิ่งที่ยังขาด

สวิตช์ที่ทั้งเร็ว (ระดับมิลลิวินาที) และเจาะจง (เซลล์ชนิดเดียว)

ฟรานซิส คริก เสนอในปี 1979 ว่าแสงอาจให้ความแม่นยำแบบนี้ได้ในสักวัน

ในภาพ ขั้วไฟฟ้าทำให้ทุกจุดรอบปลายขั้วสว่างขึ้นโดยไม่สนว่าเป็นเซลล์ชนิดใด กด “เปิด/ปิดกระแส” เพื่อลองดู

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): Wikipedia: Optogenetics; Boyden, Zhang, Bamberg, Nagel & Deisseroth, Nature Neuroscience 2005

บทที่ III · ขั้นที่ 5

ดวงตาในเซลล์เดียว

Chlamydomonas reinhardtii เป็นสาหร่ายสีเขียวเซลล์เดียว ขนาดราวหนึ่งในร้อยของมิลลิเมตร ว่ายน้ำด้วยแฟลเจลลัมสองเส้นแบบท่ากบ และบังคับทิศเข้าหาแสงที่เหมาะกับการสังเคราะห์ด้วยแสง แถบเม็ดสีสีส้มที่เรียกว่า จุดตา (eyespot) บังแสงให้เยื่อรับแสงด้านหนึ่ง เมื่อเซลล์หมุนตัวไปเรื่อย ๆ จึงบอกได้ว่าแสงมาจากทางไหน

1. ปีเตอร์ เฮเกมันน์ ศึกษาการรับรู้แสงของสาหร่ายชนิดนี้ ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1990 ที่สถาบันมักซ์พลังค์
2. ตัวรับแสงของมันคือโรดอปซิน โปรตีนที่จับเรตินัล โมเลกุลที่เป็นญาติกับวิตามินเอ และใช้ในดวงตาของสัตว์ด้วย
3. เมื่อดูดกลืนแสง เรตินัลจะพลิกรูปร่าง (จาก all-trans เป็น 13-cis) ทำให้โปรตีนเปลี่ยนตาม

ในภาพ จุดตาจะสว่างขึ้นเมื่อหันเข้าหาแสง ขนาดและความเร็วไม่ได้สัดส่วนจริง

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): STAT News (5 Oct 2026); Nagel et al., PNAS 2003 (channelrhodopsin-2)

บทที่ III · ขั้นที่ 6 · 2002–2003

ช่องไอออนที่เปิดด้วยแสง

ก่อนหน้านั้น เกออร์ก นาเกิล กับแอนสท์ บัมแบร์ก แห่งสถาบันชีวฟิสิกส์มักซ์พลังค์ เคยแสดงว่าโรดอปซินของจุลินทรีย์ทำงานในไข่กบได้ เมื่อร่วมกับเฮเกมันน์ทดสอบยีนโรดอปซินของสาหร่าย ก็พบสิ่งใหม่ คือแชนเนลโรดอปซิน-1 (2002) และแชนเนลโรดอปซิน-2 (2003) เป็น ช่องไอออนที่แสงสั่งเปิดได้โดยตรง

เปิดด้วย

แสงสีฟ้า

ตอบสนองสูงสุดราว 460 นาโนเมตร

เวลาเปิด

< 0.2 ms

วัดได้ราว 200 ไมโครวินาทีหรือเร็วกว่า

ให้ผ่าน

ไอออนบวก

เช่น Na⁺ K⁺ และ Ca²⁺ แต่ไม่ให้ไอออนลบผ่าน

ชิ้นส่วนที่ต้องใช้

หนึ่ง

โปรตีนตัวเดียว เซลล์มีเรตินัลอยู่แล้วหรือเติมให้ได้

เพราะยีนเดียวสร้างสวิตช์ได้ครบทั้งตัว จึงย้ายไปใส่ในเซลล์แทบทุกชนิดได้ กด “แสงสีฟ้า” เพื่อเปิดช่องแล้วดูแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): Nagel et al., PNAS 2003 (channelrhodopsin-2); Wikipedia: Georg Nagel; STAT News (5 Oct 2026)

บทที่ IV · ขั้นที่ 7 · 2005

แสงกลายเป็นสวิตช์

เดือนสิงหาคม 2005 เอ็ดเวิร์ด บอยเดน เฟิง จาง แอนสท์ บัมแบร์ก เกออร์ก นาเกิล และคาร์ล ไดส์เซอรอท รายงานในวารสาร Nature Neuroscience ว่าเซลล์ประสาทที่มีแชนเนลโรดอปซิน-2 ซึ่งส่งเข้าไปด้วยเลนติไวรัส จะยิงสัญญาณตามแสงสีฟ้าที่วาบสั้น ๆ ได้อย่างแม่นยำระดับมิลลิวินาที แสงจึงควบคุมได้ทั้งสัญญาณกระตุ้นและสัญญาณยับยั้งระหว่างเซลล์

1. ยีน: พิมพ์เขียวของแชนเนลโรดอปซิน-2
2. การนำส่ง: ไวรัสที่ถูกทำให้ไม่ก่อโรคพายีนเข้าไปในเซลล์ประสาท เซลล์จึงสร้างช่องไอออนนี้บนเยื่อหุ้มของตัวเอง
3. แสง: แสงสีฟ้าวาบเดียวเปิดช่อง ไอออนบวกไหลเข้า เซลล์ประสาทถึงขีดเริ่มแล้วยิงสัญญาณ

ยังมีทีมอื่นแข่งกันอยู่ด้วย ปี 2002 ทีมของเกโร มีเซนเบิค ทำให้เซลล์ประสาทตอบสนองต่อแสงได้โดยใช้ยีนแมลงหวี่สามยีน แต่แชนเนลโรดอปซินทำได้ด้วยยีนเดียวและเร็วกว่า ลองกด “แสงวาบสีฟ้า” และ “แสงเป็นชุด” เพื่อสั่งให้เซลล์ยิงสัญญาณ

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): Boyden, Zhang, Bamberg, Nagel & Deisseroth, Nature Neuroscience 2005; Zemelman, Lee, Ng & Miesenböck, Neuron 2002; Wikipedia: Karl Deisseroth; STAT News (5 Oct 2026)

บทที่ IV · ขั้นที่ 8 · 2007

สวิตช์ปิดก็มีด้วย

ฮาโลโรดอปซินมาจาก Natronomonas pharaonis จุลินทรีย์ที่อาศัยในทะเลสาบน้ำเค็มจัด มันเป็น ปั๊ม ที่ใช้แสงขับเคลื่อน ขนคลอไรด์ไอออน (Cl⁻) เข้าเซลล์ ในปี 2007 ห้องแล็บของบอยเดนและของไดส์เซอรอทต่างแสดงว่ามันทำให้เซลล์ประสาทเงียบได้

สวิตช์เปิด

ChR2

แสงสีฟ้า (~470 nm) · ให้ไอออนบวกเข้า

สวิตช์ปิด

NpHR

แสงสีเหลือง (~560 nm ในงานวิจัยปี 2007) · ปั๊ม Cl⁻ เข้า

ลองเปิด “แสงสีเหลือง” แล้วกด “แสงวาบสีฟ้า” แสงสีฟ้ายังดันแรงดันขึ้นได้บ้าง แต่ไม่พอจะถึงขีดเริ่มอีกต่อไป สองสี สองทิศทาง ในเซลล์เดียวกัน

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): Han & Boyden, PLoS ONE 2007 (halorhodopsin); Wikipedia: Optogenetics

บทที่ V · ขั้นที่ 9

เฉพาะเซลล์ที่คุณเลือก

ความแม่นยำของออปโตเจเนติกส์มาจากสองทางพร้อมกัน พันธุกรรม เลือกว่าเซลล์ไหนตอบสนองได้ และ ระบบแสง เลือกว่าแสงจะไปถึงที่ไหน เมื่อไร

1. โปรโมเตอร์: สวิตช์ดีเอ็นเอที่เปิดเฉพาะในเซลล์ชนิดเดียว เช่น เซลล์ที่สร้างสารสื่อประสาทชนิดหนึ่ง
2. ไวรัส: ฉีดเข้าไปในสมองบริเวณเดียว พายีนเข้าสู่เซลล์ในบริเวณนั้น
3. เส้นใยนำแสง: ฝังไว้เหนือบริเวณเป้าหมาย นำแสงเลเซอร์หรือแอลอีดีเข้าไป อุปกรณ์แสงต่อเส้นใยสำหรับสัตว์ที่เคลื่อนไหวอิสระเริ่มใช้ในปี 2007
4. ผลลัพธ์: แสงเปิดหรือปิดเซลล์ที่เลือกได้ภายในมิลลิวินาที เซลล์อื่นที่อยู่ใกล้ ๆ ไม่ถูกรบกวน

งานวิจัยส่วนใหญ่ทำในหนูทดลอง ในภาพ เซลล์ที่ถูกติดป้ายแสดงเป็นสีเขียวอมฟ้า กด “เปิด/ปิดแสง” เพื่อเทียบกับขั้วไฟฟ้าในบทที่ II

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): Wikipedia: Optogenetics; Boyden, Zhang, Bamberg, Nagel & Deisseroth, Nature Neuroscience 2005

บทที่ V · ขั้นที่ 10

อ่านแผนผังวงจรสมอง

การบันทึกสัญญาณบอกได้ว่าเซลล์ไหนทำงาน ตอนที่ บางอย่างเกิดขึ้น แต่ออปโตเจเนติกส์ทดสอบได้ว่าเซลล์เหล่านั้น เป็นต้นเหตุ หรือไม่ สั่งเปิดแล้วดูว่าพฤติกรรมเกิดขึ้นไหม สั่งปิดแล้วดูว่ามันหายไปหรือเปล่า

• ความจำ กระตุ้นหรือปิดเซลล์ในฮิปโปแคมปัส เพื่อทดสอบว่าความจำถูกเก็บและเรียกคืนอย่างไร
• อารมณ์ วงจรที่ผ่านอะมิกดะลา ซึ่งเกี่ยวกับความกลัวและความวิตกกังวล
• รางวัล เซลล์โดพามีนในสมองส่วนกลางและแรงจูงใจที่มันขับเคลื่อน
• การเคลื่อนไหว วงจรของสมองส่วนสั่งการและเบซัลแกงเกลีย ซึ่งสำคัญต่อการเข้าใจโรคพาร์กินสัน

บริเวณที่ไฮไลต์ในภาพเป็นตำแหน่งโดยประมาณบนสมองแบบย่อ และการทดลองส่วนใหญ่ทำในหนู ไม่ใช่ในคน กด “วงจรถัดไป” เพื่อย้ายเส้นใยนำแสง

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): NobelPrize.org: Physiology or Medicine 2026; STAT News (5 Oct 2026); Wikipedia: Optogenetics

บทที่ VI · ขั้นที่ 11 · 2021

แสงสำหรับดวงตาที่บอด

เดือนพฤษภาคม 2021 ทีมวิจัยจากปารีส พิตต์สเบิร์ก และบาเซิล รายงานในวารสาร Nature Medicine ถึงการฟื้นการมองเห็นบางส่วนในชายที่ตาบอดจากโรคเรตินิติส พิกเมนโตซา (retinitis pigmentosa) โรคทางพันธุกรรมที่ทำลายเซลล์รับแสงของตา ยีนบำบัดทำให้เซลล์แกงเกลียนในจอตาที่ยังเหลืออยู่สร้าง ChrimsonR ขึ้นมา แว่นที่มีกล้องจะฉายภาพลงบนจอตาเป็นแสงสีอำพัน ซึ่งถนอมจอตามากกว่าแสงสีฟ้า

หาและแตะสมุดเล่มใหญ่

36 / 39

92% ของการทดสอบ เมื่อสวมแว่น

กล่องลวดเย็บกระดาษเล็ก ๆ

36%

ของการทดสอบ

นับแก้วน้ำ

63%

ตอบถูก

ตรวจคลื่นสมอง

78%

ตัวถอดรหัส EEG บอกได้ว่ามีแก้ววางอยู่หรือไม่

นี่เป็นผู้ป่วยรายเดียวในการทดลองระยะแรก แสดงว่าแนวคิดนี้ใช้ได้ในมนุษย์ แต่ยังไม่ใช่การรักษาให้หายขาด จอตาในภาพเป็นแบบย่อ

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): IOB Basel press release on Sahel et al., Nature Medicine 2021; Wikipedia: Optogenetics

บทส่งท้าย

จากสาหร่ายในบ่อสู่สมอง

เส้นทางสู่ออปโตเจเนติกส์ผ่านงานวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่ไม่ได้มีเป้าหมายทางการแพทย์เลย คือคำถามว่าสาหร่ายเซลล์เดียวรับรู้แสงอย่างไร และไอออนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างไร เมื่อผสานกับพันธุศาสตร์ ไวรัส และเส้นใยนำแสง มันจึงกลายเป็นเครื่องมือที่ห้องแล็บทั่วโลกใช้อยู่ทุกวันนี้

• 1952 ฮอดจ์กินและฮักซ์ลีย์อธิบายศักยะงาน
• 1979 ฟรานซิส คริก ชี้ว่าต้องควบคุมเซลล์ชนิดเดียวให้ได้
• 2002 แชนเนลโรดอปซิน-1 และเซลล์ประสาทที่ควบคุมด้วยแสงของมีเซนเบิค
• 2003 แชนเนลโรดอปซิน-2
• 2005 แสงสีฟ้าสั่งเซลล์ประสาทได้ด้วยแชนเนลโรดอปซิน-2
• 2007 ฮาโลโรดอปซินเพิ่มสวิตช์ปิด
• 2021 ผู้ป่วยตาบอดหนึ่งรายได้การมองเห็นคืนมาบางส่วน
• 2026 รางวัลโนเบลแก่ไดส์เซอรอท เฮเกมันน์ และนาเกิล

การให้เครดิตในวิทยาศาสตร์ไม่ค่อยง่ายนัก มีผู้ตั้งข้อสังเกตถึงบทบาทของคนอื่น ๆ ด้วย เช่น เอ็ด บอยเดน แอนสท์ บัมแบร์ก เกโร มีเซนเบิค และจัว-ฮวา ผาน ผู้ทดลองใช้แชนเนลโรดอปซินในเซลล์จอตา กติกาของโนเบลจำกัดผู้รับรางวัลไว้ไม่เกินสามคนต่อสาขา

ภาพนิ่งบนการ์ดบทต่าง ๆ สร้างด้วย AI เป็นภาพประกอบ ไม่ใช่ภาพถ่ายหรือภาพจากกล้องจุลทรรศน์ ฉากสามมิติเป็นแบบจำลองอย่างง่ายและไม่ได้สัดส่วนจริง

แหล่งข้อมูล (ภาษาอังกฤษ): NobelPrize.org: Physiology or Medicine 2026; STAT News (5 Oct 2026); Wikipedia: Optogenetics; Zemelman, Lee, Ng & Miesenböck, Neuron 2002; NobelPrize.org: Physiology or Medicine 1963