12. ข้อตกลงของสัตว์มีกระดูกสันหลัง
เอมีนโบราณตัวที่สามเดินทางอยู่บนเส้นประสาทสายเดียวกับที่หล่อเลี้ยงเซโรโทนินและออกโทพามีนตลอดช่วงรุ่งเรืองและถดถอยของกุ้งล็อบสเตอร์ มันไม่ได้ปรับท่วงท่า มันปรับการไล่ล่า ชื่อของมันคือโดปามีน โนนาเปปไทด์ผูกสัตว์ตัวหนึ่งไว้กับอีกตัวหนึ่ง เอมีนของล็อบสเตอร์กำหนดลำดับชั้นได้เพียงชั่วขณะที่สารเคมียังออกฤทธิ์ ส่วนผู้ส่งสารตัวนี้รับงานคนละอย่างโดยสิ้นเชิง มันไม่บอกว่าควรรู้สึกอย่างไรต่อสัตว์อีกตัว ไม่บอกว่าควรยืนอยู่ตรงไหน แต่ตัดสินว่าจะไล่ตามสิ่งที่ยังไม่เกิดขึ้นหรือไม่
สมองเล็กจิ๋วของปลาแลมเพรย์ซ่อนสิ่งที่ไม่มีใครคาดคิดไว้ ผ่าออกมาแล้วจะเจอเบซัลแกงเกลียที่เดินสายครบวงจร โครงสร้างสมองส่วนลึกตัวนี้ตัดสินว่าการเคลื่อนไหวใดจะได้เกิดขึ้น ณ ขณะนั้น มันทำงานด้วยโดปามีน ในผังที่แทบไม่ต่างจากของมนุษย์เลย ปลาแลมเพรย์ในแม่น้ำเย็นเยียบไม่มีขากรรไกร ไม่มีกระดูกในกะโหลก และแทบไม่มีกระดูกสันหลังให้เอ่ยถึง มีเพียงแท่งยืดหยุ่นที่เรียกว่าโนโทคอร์ดกับวงแหวนกระดูกอ่อนเท่านั้น มันคู่กับปลาแฮกฟิช เป็นหนึ่งในสองสายเลือดสัตว์มีกระดูกสันหลังที่เก่าแก่ที่สุดที่ยังมีชีวิตอยู่ในปัจจุบัน และยืนแทนสัตว์มีกระดูกสันหลังยุคแรกเริ่มได้ทั้งตัว ยุคก่อนที่สิ่งใดจะมีบานพับงอกขึ้นในปาก
เบซัลแกงเกลียทำหน้าที่เหมือนเจ้าหน้าที่จราจรของการกระทำ มันกักแรงกระตุ้นที่แข่งกันไว้ จนกว่าจะมีตัวหนึ่งได้ไฟเขียวให้ผ่าน โดปามีนคือสารเคมีที่ปรับเกณฑ์ตัดสินใจของเจ้าหน้าที่คนนี้ เมื่อเซลล์ผลิตโดปามีนในวงจรนี้เองหายไป มนุษย์ก็เป็นโรคพาร์กินสัน — มือสั่น ตัวเกร็งแข็ง ร่างกายไม่เชื่อฟังอย่างราบรื่นอีกต่อไป นักวิจัยเดินแผนที่วงจรชุดเดียวกันนี้ในปลาแลมเพรย์ไว้แล้ว พวกเขาพบเซลล์ผลิตโดปามีนในบริเวณที่เทียบเท่ากับ substantia nigra และ ventral tegmental area ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เซลล์เหล่านั้นเชื่อมต่อผ่านวิถี "ทางตรง" และ "ทางอ้อม" แบบเดียวกับที่ทำให้สมองสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทั้งเริ่มและหยุดการเคลื่อนไหวได้ และถูกคุมด้วยตัวรับสองชนิดคือ D1 และ D2 ที่ทำงานเหมือนสวิตช์คนละตัวในฝั่งผู้รับสัญญาณ บทปริทัศน์ปี 2021 ประมวลการเปรียบเทียบนี้เข้าไว้ด้วยกัน ก่อนหน้านั้นห้าปี มีบทความเอ่ยถึงมันตรง ๆ ไปแล้ว ในชื่อที่ไม่ถ่อมตัวนักว่า "The Basal Ganglia Over 500 Million Years" ตีพิมพ์ในวารสาร Current Biology ปี 2016
เบซัลแกงเกลียที่ขับเคลื่อนด้วยโดปามีนของปลาแลมเพรย์แสดงโครงสร้างแบบสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมครบถ้วนอยู่แล้ว จุดกำเนิดของระบบนี้จึงย้อนกลับไปได้ไกลอย่างน้อยเท่านั้น คือถึงรากฐานของ Vertebrata เอง ปลาแลมเพรย์และปลาแฮกฟิชแยกออกจากสายที่นำไปสู่สัตว์มีกระดูกสันหลังมีขากรรไกรเมื่อราว 560 ล้านปีก่อน ในยุคเอเดียคารันตอนปลาย ก่อนที่สิ่งมีชีวิตใดจะมีขากรรไกรหรือรยางค์ นั่นทำให้มันเป็นสัตว์มีกระดูกสันหลังที่มีชีวิตซึ่งดั้งเดิมที่สุดเท่าที่จะหามาเปรียบเทียบได้ ยังเหลือความไม่แน่นอนอยู่บ้าง ว่าวงจรสมองส่วนอื่นของแลมเพรย์สะท้อนผังของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมได้ตรงเป๊ะเพียงใด หรือเป็นเพียงสภาวะบรรพบุรุษที่เรียบง่ายกว่าและถูกต่อเติมภายหลัง แต่โครงสร้างแกนกลางของโดปามีนไม่มีข้อกังขาใด ๆ
วงจรนี้เก่าแก่ และเคมีที่อยู่เบื้องหลังมันเก่าแก่ยิ่งกว่า โดปามีนถูกสร้างขึ้นจากไทโรซีนในสองขั้นตอน ไทโรซีนเป็นกรดอะมิโนที่เซลล์มีติดมืออยู่แล้วจากงานอื่น เอนไซม์ชื่อไทโรซีนไฮดรอกซิเลสเปลี่ยนมันเป็น L-DOPA — โมเลกุลตัวเดียวกับที่ใช้เป็นยาให้ผู้ป่วยพาร์กินสันในทุกวันนี้ — จากนั้นเอนไซม์ตัวที่สอง DOPA ดีคาร์บอกซิเลส ปิดงานด้วยการเปลี่ยนมันจนกลายเป็นโดปามีนโดยสมบูรณ์
สูตรสองขั้นตอนแบบเป๊ะ ๆ นี้โผล่ขึ้นในสัตว์ที่ไม่มีกระดูกสันหลังเลยแม้แต่น้อย ในปี 2021 ทีมวิจัยจาก Stockholm University — Rehab El-Shehawy, Sandra Luecke-Johansson, Anton Ribbenstedt และ Elena Gorokhova — ยืนยันว่าเอนไซม์ทั้งสองตัวแสดงออกอยู่ในผนังลำไส้ของไรน้ำ Daphnia magna พวกเขาติดตามการทำงานของเอนไซม์ตัวที่สองตลอดวัฏจักรการลอกคราบของมัน และตรวจพบ L-DOPA ที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพอยู่ในลำไส้ แม้จะไม่พบโดปามีนอิสระก็ตาม งานวิจัยชิ้นนี้ตีพิมพ์ใน mSystems เมื่อวันที่ 9 พฤศจิกายน 2021
Daphnia เป็นครัสเตเชียน เป็นโปรโตสโตม อยู่คนละกิ่งของแผนภูมิต้นไม้แห่งชีวิตกับสัตว์มีกระดูกสันหลังทุกชนิด ซึ่งล้วนเป็นดิวเทอโรสโตม เมื่อสายพันธุ์ที่ห่างกันขนาดนี้สองสายใช้วิถีสองเอนไซม์เหมือนกันเป๊ะ การอ่านที่ตรงไปตรงมาที่สุดคือทั้งคู่สืบทอดมันมาจากบรรพบุรุษร่วม ไม่ใช่ต่างคนต่างคิดค้นเคมีชุดเดียวกันขึ้นแยกกันสองครั้ง นั่นย่อมผลักจุดกำเนิดของวิถีนี้ให้ย้อนไปก่อนการแยกสายระหว่างโปรโตสโตมกับดิวเทอโรสโตม แล้วการแยกสายนั้นเกิดขึ้นเมื่อไรกันแน่ ก็ยังเถียงกันไม่จบ รู้เพียงว่าอยู่ที่ไหนสักแห่งในยุคนีโอโปรเทอโรโซอิก การศึกษาด้วยนาฬิกาโมเลกุลวางมันไว้ที่ราว 642 ถึง 761 ล้านปีก่อน โดยการวิเคราะห์ 18 ยีนชิ้นหนึ่งตกลงใกล้ 670 ล้านปี ส่วนแบบจำลองทางสถิติที่สอบเทียบกับฟอสซิลรัดช่วงให้แคบลงเหลือราว 558 ถึง 575 ล้านปีก่อน บทความปี 2016 ว่าด้วยขีดจำกัดความแม่นยำของมาตราเวลาโมเลกุล ทบทวนข้อขัดแย้งระหว่างสองวิธีนี้ — "หินเทียบกับนาฬิกา" — ไว้อย่างตรงไปตรงมา
ไม่ว่าเคมีชุดนี้จะมาจากไหน มันก็ไม่ได้อยู่นิ่งเฉย ในหนอนตัวกลม Caenorhabditis elegans ระบบโดปามีนที่สร้างจากเซลล์ประสาทเพียง 8 เซลล์ กำหนดว่าหนอนจะตัดสินใจหาอาหารอย่างไร ตามที่มีการทบทวนไว้ในปี 2025 ในวารสาร Royal Society Open Science ในแมลงหวี่ Drosophila กลุ่มเซลล์ประสาทโดปามีนที่เรียกว่า PAM จำเป็นต่อการที่แมลงหวี่จะเรียนรู้ว่ากลิ่นหนึ่งทำนายน้ำตาลหรือน้ำได้ นี่คือการเชื่อมโยงแบบเข้าหา หมายถึงเรียนรู้โดยมุ่งเข้าใกล้สิ่งที่ดี ไม่ใช่หนีจากสิ่งที่เป็นอันตราย เซลล์กลุ่มนี้ยิงสัญญาณเมื่อรางวัลมาถึงจริง ผลลัพธ์นี้รายงานไว้ในเอกสารพรีปรินต์ปี 2025 เฉพาะใน C. elegans โดปามีนดูจะทำหน้าที่เป็นตัวปรับอารมณ์เคมีแบบกระจาย อาบเซลล์ประสาทจำนวนมากอย่างหลวม ๆ มากกว่าจะเดินสายแบบจุดต่อจุดอย่างที่สัตว์มีกระดูกสันหลังใช้ คำว่า "วงจร" จึงเข้ากับกรณีของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังตัวนี้ได้หลวมกว่าที่เข้ากับสมองสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม
การนับคะแนน
หลักฐานที่ชัดเจนที่สุดว่าโดปามีนไม่ใช่แค่สารเคมีแห่งความสุข มาจากการบันทึกสัญญาณของเซลล์ประสาทโดปามีนทีละเซลล์ในสมองลิงที่กำลังทำพฤติกรรมต่าง ๆ Wolfram Schultz ทำงานร่วมกับนักทฤษฎี Peter Dayan และ P. Read Montague แล้วพบว่าเซลล์ประสาทเหล่านี้ไม่ได้ยิงสัญญาณแค่ตอนที่รางวัลมาถึง แต่ยิงเป็นสัดส่วนกับว่าความคาดหวังของสัตว์นั้นผิดไปมากแค่ไหน รางวัลที่ดีเกินคาดดันสัญญาณให้พุ่งเหนืออัตราปกติของเซลล์ประสาท รางวัลที่มาตรงตามคาดไม่ก่อให้เกิดอะไรผิดปกติ ส่วนรางวัลที่ควรมาถึงแล้วกลับไม่มา กดสัญญาณให้ตกต่ำกว่าเส้นฐาน ตรงกับจังหวะที่มันควรปรากฏพอดี ผลงานนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Science เดือนมีนาคม 1997 และรูปแบบที่พบตรงกันเกือบคำต่อคำกับสัญญาณความคลาดเคลื่อนที่ใช้ในกลุ่มวิธีการเรียนรู้ของคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่า temporal-difference learning ระบบแบบนั้นปรับการคาดเดาอนาคตของตัวเองตามระยะที่การคาดเดาครั้งก่อนพลาดไปพอดี
สัญญาณเดียวกันนี้โผล่ออกไปไกลเกินห้องทดลองลิงแสมเพียงแห่งเดียวมานานแล้ว นักวิจัยตามรอยกิจกรรมโดปามีนที่มีรูปทรงตามค่าคลาดเคลื่อนการทำนายได้ตลอดทางในปลากระดูกแข็งและสัตว์ฟันแทะ และจับมันได้ในมนุษย์ด้วยการสแกน fMRI บริเวณ ventral striatum และ ventral tegmental area ระหว่างทำภารกิจทายรางวัลง่าย ๆ การคำนวณนี้ถูกแยกออกมาได้ครั้งแรกในสมองส่วนกลางของลิงตัวหนึ่ง แล้วกลายเป็นนิสัยที่พบทั่วสัตว์มีกระดูกสันหลังทั้งหมด ไม่ใช่ความเชี่ยวชาญเฉพาะของไพรเมต
การคำนวณนี้ไม่ต้องมีชิ้นส่วนโมเลกุลใหม่แม้แต่ชิ้นเดียว มันทำงานบนสายที่ติดตั้งไว้แล้วนับร้อยล้านปี — วิถีจากไทโรซีนสู่โดปามีนแบบเดียวกับที่พบในลำไส้ไรน้ำ วางอยู่ในวงจรที่สร้างขึ้นตั้งแต่รากฐานของ Vertebrata แล้วได้รับมอบงานใหม่ ไม่ใช่ขยับรยางค์ แต่คือจดคะแนน
เรื่องราวของค่าคลาดเคลื่อนการทำนายรางวัลไม่ใช่เรื่องราวทั้งหมด Kent Berridge และ Terry Robinson จาก University of Michigan พบว่าเมื่อฉีดแอมเฟตามีนเข้าไปตรง ๆ ในศูนย์สมองที่เรียกว่า nucleus accumbens หนูก็อยากได้ซูโครสมากขึ้น มันเข้าหาซูโครสมากขึ้น ทำงานหนักขึ้นเพื่อจะได้มันมา แต่ไม่ได้ชอบมันมากขึ้นเลย ตัดสินจากปฏิกิริยาการแสดงออกทางใบหน้าต่อรสชาติชุดเดียวกัน อันเป็นแพตเทิร์นการขยับลิ้นและปากที่จำเพาะ ใช้วัดความเพลิดเพลินในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมวัยทารก ทั้งสองคนโต้แย้งว่าการอยากได้กับการชอบแยกออกจากกันได้ เดินผ่านวงจรคนละชุด และงานหลักของโดปามีนคือสร้างอย่างแรกขึ้นมา คือแรงดึงดูดที่พวกเขาเรียกว่า incentive salience ไม่ใช่ความสุขจากตัวรางวัลเอง
ทฤษฎีดั้งเดิมมีมาตั้งแต่ปี 1998 ในวารสาร Brain Research Reviews แล้วถูกขัดเกลาและตั้งชื่อใหม่ตรง ๆ ในฉบับปรับปรุงปี 2007 ว่า "The debate over dopamine's role in reward" เมื่อขยายผลออกไปเป็นทฤษฎี incentive-sensitization ของการเสพติด การแบ่งชุดเดียวกันนี้อธิบายความอยากที่ทวีความรุนแรงขึ้นเรื่อย ๆ แม้ความสุขจากยาจะจางลง ว่าคือสิ่งที่ "การอยากได้" ซึ่งพุ่งพ้นการควบคุมและหลุดลอยจาก "ความชอบ" ย่อมผลิตออกมาพอดี Robinson และ Berridge ยังยืนกรานปกป้องคำอธิบายนี้อยู่ในบทวิเคราะห์ย้อนหลังปี 2025 สามสิบปีให้หลัง การแบ่งสามทาง ว่าโดปามีนเกี่ยวข้องหลักกับการเรียนรู้ ความชอบ หรือการอยากได้ ยังเป็นคำถามเปิดที่ไม่มีข้อยุติ ไม่มีฝ่ายใดปิดประเด็นนี้ลงได้
ตัวรับที่อ่านสัญญาณโดปามีนเพิ่มจำนวนขึ้นระหว่างทาง การทำซ้ำจีโนมทั้งชุดเกิดขึ้นใกล้รากฐานของสายวิวัฒนาการสัตว์มีกระดูกสันหลังเมื่อราว 450 ล้านปีก่อน ในยุคออร์โดวิเชียน — เหตุการณ์ที่คลังพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตถูกคัดลอกซ้ำโดยบังเอิญเป็นสองเท่า ยีนทุกตัวเพิ่มเป็นสองชุดพร้อมกัน มันแยกยีนตัวรับโดปามีนคู่บรรพบุรุษหนึ่งคู่ ออกเป็นตัวรับชนิดคล้าย D1 สี่ตัวและชนิดคล้าย D2 อีกหลายตัวที่ปลา นก และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมพกพากันมาถึงทุกวันนี้ การศึกษาปี 2013 ในวารสาร Molecular Biology and Evolution ทำแผนที่มันไว้ ไม่ใช่ทุกสายพันธุ์ที่รักษาสำเนาไว้ครบในเวลาต่อมา สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมสูญเสียหนึ่งในสี่ตัวที่เรียกว่า D1C ไปภายหลัง ส่วนอีกตัวคือ D1E หายไปอย่างเป็นอิสระในอีกหลายกิ่งก้านสายพันธุ์ ระบบที่หลงเหลืออยู่ยังทำงานแบบเดิมได้ตลอดช่องว่าง 450 ล้านปี และนั่นไม่ใช่แค่การอนุมานทางพันธุกรรม ปลาซิบราฟิชที่ได้รับมอร์ฟีนพัฒนาความชอบต่อสถานที่ขึ้นมา และ naloxone ตัวยับยั้งโอปิออยด์สกัดกั้นความชอบนั้นได้ ปลาชนิดเดียวกันนี้ยังแสดงความชอบต่อนิโคตินและเอทานอลที่ถูกปรับพฤติกรรมไว้ ความชอบที่คงอยู่แม้งดสารไปแล้วสามสัปดาห์ ตามที่รายงานไว้ในการศึกษาปี 2013 ใน PLOS ONE ปลาซิบราฟิชกับมนุษย์หน้าตาไม่เหมือนกัน ไม่มีบรรพบุรุษร่วมกันมานาน 450 ล้านปี และไม่ได้สร้างระบบให้รางวัลด้วยวิธีทางกายวิภาคแบบเดียวกัน แต่อะไรก็ตามที่คำนวณรางวัลในสัตว์แต่ละชนิด ล้วนทำงานบนตัวอักษรชุดเดียวกันที่ยืมมาใช้ร่วมกัน
การเดิมพันเป็นการเดิมพันเดียวกันหมด ตั้งแต่ปลาไร้ขากรรไกรที่ไม่มีเปลือกสมองเลยแม้แต่นิดเดียว ไปจนถึงปลาลายทางตัวเล็กที่เลือกว่ายเข้าไปในช่องตู้ที่เคยมียาวางอยู่ คือทำนาย ลงมือ แล้วปล่อยให้โมเลกุลโบราณตัวหนึ่งคอยจดคะแนนไว้ โมเลกุลตัวนี้คงที่เช่นนี้ตลอดสัตว์ทุกชนิดที่กล่าวมา สิ่งที่เปลี่ยนไปคือขนาดและรูปทรงของสมองที่ถูกสร้างขึ้นล้อมรอบมัน และมันเปลี่ยนในสองสายพันธุ์ยิ่งกว่าสายอื่นใด
พลิกกลับได้หาก: ยีนสังเคราะห์โดปามีนชนิด TH/DDC ที่พบใน Daphnia กลับกลายเป็นยีนที่ไม่มีความเป็นเนื้อเดียวกันทางวิวัฒนาการ (non-homologous) กับฉบับที่พบในสัตว์มีกระดูกสันหลัง คือวิวัฒนาการขึ้นเองอย่างเป็นอิสระ ไม่ได้สืบทอดมาจากบรรพบุรุษร่วม สิ่งที่อ่านได้ว่าเป็นการสืบทอดอันลึกซึ้งหนึ่งเดียว ก็จะกลายเป็นการคิดค้นเคมีสองขั้นตอนแบบเดียวกันขึ้นแยกกันสองครั้ง
แหล่งข้อมูล
- 2021 · El-Shehawy, R. et al., "Microbiota-Dependent and -Independent Production of l-Dopa in the Gut of Daphnia magna" — PMC8577283
- 2016 · "Uncertainty in the Timing of Origin of Animals and the Limits of Precision in Molecular Timescales" — PMC4651906
- 1997 · Schultz, W., Dayan, P., Montague, P.R., "A Neural Substrate of Prediction and Reward" — Science 275:1593
- 1998 · Berridge, K.C., Robinson, T.E., "What is the role of dopamine in reward: hedonic impact, reward learning, or incentive salience?" — Brain Research Reviews 28:309
- 2016 · "The Basal Ganglia Over 500 Million Years" — Current Biology30680-7.pdf)
- 2013 · "Evolution of Dopamine Receptor Genes of the D1 Class in Vertebrates" — PMC3603308