ใยประสาทในเนื้อขาวและการเชื่อมต่อ

เนื้อขาวประกอบด้วยแอกซอนที่มีปลอกไมอีลินซึ่งเชื่อมต่อส่วนต่างๆ ของระบบประสาท ใยประสาทเหล่านี้รวมกันเป็นมัดเรียกว่าใยประสาทในเนื้อขาว ทำหน้าที่เชื่อมโยงบริเวณเปลือกสมองเข้าด้วยกัน เชื่อมสมองทั้งสองซีก และส่งผ่านข้อมูลระหว่างเปลือกสมอง นิวเคลียสใต้เปลือกสมอง และไขสันหลัง ก่อให้เกิดโครงข่ายที่สมองใช้ในการสื่อสารระหว่างกัน

Definition

ใยประสาทในเนื้อขาว (white-matter tracts) คือมัดของแอกซอนที่มีปลอกไมอีลินซึ่งจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ ทำหน้าที่เชื่อมต่อบริเวณต่างๆ ของระบบประสาทส่วนกลาง การเชื่อมต่อ (connectivity) หมายถึงเครือข่ายของโครงสร้างเชื่อมโยงที่เกิดขึ้น ซึ่งมีการอธิบายและวัดปริมาณเพิ่มขึ้นในฐานะคอนเนกโตม (connectome) ของสมอง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมใยประสาทในเนื้อขาวของสมองทั้งสามประเภท ได้แก่ ใยประสาทเชื่อมโยง (association fibres) ใยประสาทเชื่อมซีกสมอง (commissural fibres) และใยประสาทส่งสัญญาณ (projection tracts) รวมถึงเส้นทางประสาทที่มีชื่อเฉพาะ เช่น arcuate fasciculus และ corpus callosum ตลอดจนแนวคิดของการเชื่อมต่อเชิงโครงสร้าง (structural connectivity) และคอนเนกโตม (connectome) นอกจากนี้ยังครอบคลุมถึงวิธีการที่ภาพถ่ายการแพร่กระจาย (diffusion imaging) แสดงภาพใยประสาทในเนื้อขาว หัวข้อนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงทางกายวิภาคศาสตร์และระเบียบวิธีวิจัย ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• เนื้อขาวของสมองมีการจัดระเบียบเป็นใยประสาทเชื่อมโยง ใยประสาทเชื่อมซีกสมอง และใยประสาทส่งสัญญาณได้อย่างไร?
• เส้นทางประสาทหลักที่มีชื่อเฉพาะใดบ้างที่เชื่อมต่อบริเวณต่างๆ ของสมอง?
• การเชื่อมต่อเชิงโครงสร้างถูกวัดและอธิบายเป็นเครือข่ายได้อย่างไร?

Key concepts

• ใยประสาทเชื่อมโยง (Association fibres)
• ใยประสาทเชื่อมซีกสมอง (Commissural fibres) (corpus callosum)
• ใยประสาทส่งสัญญาณ (Projection fibres) (internal capsule, corticospinal tract)
• การสร้างปลอกไมอีลิน (Myelination)
• Diffusion anisotropy และ tractography
• การเชื่อมต่อเชิงโครงสร้าง (Structural connectivity) และคอนเนกโตม (connectome)
• การวัดเครือข่ายด้วยทฤษฎีกราฟ (Graph-theoretical network measures)

Mechanisms

ใยประสาทในเนื้อขาวแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม ได้แก่ ใยประสาทเชื่อมโยง (association fibres) ที่เชื่อมโยงบริเวณต่างๆ ภายในสมองซีกเดียวกัน, ใยประสาทเชื่อมซีกสมอง (commissural fibres) เช่น corpus callosum ที่เชื่อมสมองทั้งสองซีก, และใยประสาทส่งสัญญาณ (projection fibres) เช่น corticospinal tract ที่เชื่อมเปลือกสมองกับโครงสร้างที่อยู่ต่ำลงไป เนื่องจากน้ำแพร่กระจายได้ดีกว่าในทิศทางเดียวกับแอกซอนที่มีปลอกไมอีลิน การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแพร่กระจาย (diffusion MRI) จึงสามารถวัดความแตกต่างของการแพร่กระจายนี้ (anisotropy) และอนุมานทิศทางของใยประสาทได้ (Pierpaoli & Basser, 1996) ทำให้สามารถสร้างภาพและทำแผนที่ใยประสาทหลักในพื้นที่มาตรฐานได้ (Hua et al., 2008) การพิจารณาบริเวณต่างๆ เป็นโหนด (nodes) และใยประสาทเป็นลิงก์ (links) ช่วยให้สามารถวิเคราะห์การเชื่อมต่อด้วยเครื่องมือทฤษฎีกราฟ (graph-theoretical tools) ที่อธิบายสมองว่าเป็นเครือข่ายที่มีศูนย์กลาง (hubs) และโมดูล (modules) (Bullmore & Sporns, 2009) การบาดเจ็บแบบกระจายของเนื้อขาวที่ได้รับเลือดจากหลอดเลือดขนาดเล็กก็สามารถตรวจพบได้ด้วยการถ่ายภาพเช่นกัน (Wardlaw et al., 2013)

Clinical relevance

กายวิภาคศาสตร์และการเชื่อมต่อของเนื้อขาวเป็นกรอบแนวคิดในการทำความเข้าใจว่าบริเวณต่างๆ ของสมองเชื่อมโยงกันอย่างไร และโครงข่ายดังกล่าวถูกถ่ายภาพได้อย่างไร ข้อมูลนี้เป็นพื้นฐานอ้างอิงเกี่ยวกับโครงสร้างและวิธีการ ไม่ได้ให้เกณฑ์การวินิจฉัยหรือคำแนะนำในการรักษา

History

มัดใยประสาทหลักๆ ได้รับการอธิบายจากการผ่าแยกในยุคคลาสสิกนานก่อนที่จะสามารถมองเห็นได้ในสมองของสิ่งมีชีวิต การนำเทคนิค diffusion tensor imaging และการวัดปริมาณ anisotropy มาใช้ (Pierpaoli & Basser, 1996) ทำให้ใยประสาทสามารถมองเห็นและวัดได้ในสิ่งมีชีวิต นำไปสู่การสร้างแผนที่ใยประสาทแบบความน่าจะเป็น (probabilistic tract atlases) (Hua et al., 2008) กรอบแนวคิดคอนเนกโตม (connectome framework) ในภายหลังได้ปรับเปลี่ยนมุมมองของเส้นทางเหล่านี้ให้เป็นเครือข่ายที่สามารถวัดปริมาณได้และสามารถวิเคราะห์ด้วยทฤษฎีกราฟ (Bullmore & Sporns, 2009)

Debates

tractography สร้างภาพใยประสาททางกายวิภาคจริงได้แม่นยำเพียงใด?

tractography ที่อาศัยการแพร่กระจายของน้ำอนุมานเส้นทางประสาททางอ้อมจากรูปแบบการแพร่กระจายของน้ำ และอาจสร้างการเชื่อมต่อที่ผิดพลาดหรือขาดหายไป ดังนั้นความแม่นยำของการสร้างภาพใยประสาทที่ได้จากการสร้างภาพกับกายวิภาคของแอกซอนจริงยังคงเป็นข้อกังวลทางระเบียบวิธีวิจัยที่สำคัญ

Key figures

• Peter Basser
• Carlo Pierpaoli
• Edward Bullmore
• Olaf Sporns

Seminal works

• pierpaoli-1996
• hua-2008
• bullmore-2009

Frequently asked questions

ใยประสาทในเนื้อขาวมีกี่ประเภทหลักๆ?

ใยประสาทเชื่อมโยง (association fibres) เชื่อมต่อบริเวณต่างๆ ภายในสมองซีกเดียวกัน, ใยประสาทเชื่อมซีกสมอง (commissural fibres) เช่น corpus callosum เชื่อมสมองทั้งสองซีก, และใยประสาทส่งสัญญาณ (projection fibres) เชื่อมเปลือกสมองกับโครงสร้างที่ลึกลงไปและไขสันหลัง

ใยประสาทในเนื้อขาวถูกถ่ายภาพในคนได้อย่างไร?

Diffusion MRI วัดการเคลื่อนที่ของน้ำในทิศทางเดียวตามแนวแอกซอนที่มีปลอกไมอีลิน และ tractography ใช้ข้อมูลนี้เพื่อสร้างภาพและทำแผนที่เส้นทางใยประสาทหลัก