จมูกอิเล็กทรอนิกส์

จมูกอิเล็กทรอนิกส์

Electronic nose - TV program on 50th Anniversary of Faculty of Science, Mahidol University, aired Oct 19, 2008 on NBT.

“การดมกลิ่นเป็นระบบสัมผัสพื้นฐานของมนุษย์และสัตว์ทั้งหลาย – แต่ต่อไปนี้นาโนเทคโนโลยีกำลังจะทำให้มันกลายเป็นอุปกรณ์ขั้นพื้นฐานในชีวิตประจำวัน” ผศ. ดร. ธีรเกียรติ์ เกิดเจริญ ภาควิชาฟิสิกส์ และ หน่วยสร้างเสริมศักยภาพทางนาโนศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
Source>>http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/

ระบบสัมผัสของมนุษย์นั้นมี ตา หู จมูก ลิ้น กาย ที่เราเรียกกันว่าสัมผัสทั้งห้า ซึ่งปัจจุบันเราก็ค่อนข้างมีความเข้าใจในประสาทสัมผัสต่างๆ เหล่านั้นเป็นอย่างดี ยกเว้น สัมผัสทางด้านกลิ่น ซึ่งเราเพิ่งจะเริ่มศึกษาและพัฒนาความเข้าใจพื้นฐานการทำงานของมันเมื่อไม่นานมานี้เอง ทั้งนี้อาจจะเป็นเพราะว่า เราไม่ค่อยเห็นความสำคัญของมัน ทั้งๆ ที่ความสุขในชีวิตของมนุษย์เราในเรื่องการรับประทานอาหารนั้นขึ้นอยู่กับการทำหน้าที่อย่างสมบูรณ์ของจมูก เพราะลิ้นที่รับรสนั้นบอกได้แต่เพียง หวาน เปรี้ยว ขม เค็ม เท่านั้น แต่จมูกต่างหากที่บอกว่าข้าวหน้าเป็ดต่างจากข้าวมันไก่อย่างไร อร่อยหรือว่าไม่ได้เรื่อง สำหรับสิ่งมีชีวิตอื่นๆนั้น การทำหน้าที่รับกลิ่นของจมูก หรือ ระบบสัมผัสไอโมเลกุล มีความสำคัญต่อการอยู่รอดเผ่าพันธุ์ของมันเลยทีเดียว สิ่งมีชีวิตทุกชนิดตั้งแต่สิ่งมีชีวิตชั้นต่ำอย่างแบคทีเรีย มาจนถึงสิ่งมีชีวิตชั้นสูงอย่างมนุษย์ ล้วนมีระบบสัมผัสที่ตอบรับกับโมเลกุลเคมีต่างๆที่มีอยู่รอบตัว (Molecular Sensing) ซึ่งมีความสำคัญกับการดำรงชีพ เช่น เป็นสัญญาณของอาหาร การจดจำถิ่นที่อยู่ เวลาของการผสมพันธุ์ ไปจนถึงสัญญาณเตือนภัยต่างๆ สิ่งมีชีวิตชั้นสูง เช่นมนุษย์นั้นได้พัฒนาระบบการรับรู้โมเลกุลเคมี จนก้าวหน้าไปอย่างมากทั้งระบบฮาร์ดแวร์ที่ประกอบด้วยต่อมรับกลิ่น ไปจนถึงระบบประสาทที่ส่งสัญญาณไปประมวลผลที่สมอง กับ ระบบซอฟท์แวร์ที่สามารถจดจำ ประมวลผล ในรูปแบบของความรู้สึกถึง “กลิ่นและรส” ได้ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมบางชนิด เช่น หนูแฮมสเตอร์นั้น มียีนที่เข้ารหัสโปรตีนที่เป็นโมเลกุลรับกลิ่น (receptor) ถึง 1000 ยีน คิดเป็น 3% ของจีโนม (รหัสพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต) ของมันเลยทีเดียว นั่นย่อมแสดงให้เห็นว่า ประสาทสัมผัสในเรื่องการรับรู้กลิ่นและไอระเหย มีความสำคัญเพียงใด ระบบการรับรู้กลิ่นนั้นมีความซับซ้อนมาก มนุษย์ที่ถูกฝึกมาโดยเฉพาะเช่น นักดมน้ำหอม อาจมีความสามารถจดจำกลิ่นได้ถึง 10,000 ชนิด สำหรับคนทั่วไปนั้นจะจดจำกลิ่นได้จำนวนมากเช่นกัน โดยสามารถแยกแยะกลิ่นไปต่างๆนานา ตามประสบการณ์ของตน เช่น กลิ่นไหม้ กลิ่นเปรี้ยว กลิ่นวานิลลา กลิ่นโลหะ กลิ่นหืน และอื่นๆอีกมากมาย ในปัจจุบันความเข้าใจในเรื่องของกลไกการรับรู้และแยกแยะกลิ่นของเราก็ยังมีเพียงน้อยนิด เรายังไม่เข้าใจว่าเหตุใดบางครั้งสารเคมีที่มีโครงสร้างหลักคล้ายคลึงกันกลับให้ความรู้สึกถึงกลิ่นที่แตกต่างกัน ในขณะที่บางครั้งโมเลกุลที่มีโครงสร้างแตกต่างกันอย่างสุดขั้ว กลับให้กลิ่นที่เกือบแยกกันไม่ออก ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะเรายังไม่รู้โครงสร้าง 3 มิติของโปรตีนที่เป็นโมเลกุลในการรับกลิ่น (receptor) ซึ่งก็มีอยู่มากทั้งจำนวนและชนิดที่แตกต่างกัน ถึงแม้ความเข้าใจในระบบดมกลิ่นของเราลึกลงไปในรายละเอียดระดับโมเลกุลอาจจะยังไม่ดีนัก แต่แนวคิดในการวิศวกรรมเรื่องดังกล่าวก็ยังเป็นไปได้ โดยการเลียนแบบระบบดมกลิ่นด้วยการสร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose) ขึ้นมา

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ เป็นอุปกรณ์ที่เรียกว่าเลียนแบบการทำงานของจมูกมนุษย์จริงๆ ก่อนอื่นต้องมาทำความรู้จักการทำงานของจมูกมนุษย์กันก่อน เมื่อคนเราสูดดมอากาศเข้าไป อากาศก็จะนำพาไอของโมเลกุลซึ่งอาจมีกลิ่นเข้าไปในโพรงจมูกของเรา ซึ่งจะกระแสลมแปรปรวน (Turbulence) ในโพรงจมูกจะช่วยทำให้ไอโมเลกุลนั้นเกิดการสัมผัสกับต่อมรับกลิ่นซึ่งอยู่บนเซลล์ประสาทรับกลิ่น โดยปลายข้างหนึ่งของเซลล์นี้จะไปรวมกันที่ต่อมรวมประสาท (Glomeruli) ซึ่งมันจะทำหน้าที่ขยายสัญญาณ (Amplifier) แล้วนำสัญญาณประสาทส่งไปสู่สมองส่วนที่เรียกว่า Olfactory Cortex ถ้าอยากรู้ว่าอยู่แถวไหนของลองกินวาซาบิสัก 1-2 เม็ดถั่วดูแล้วกันครับ จะได้รู้สึกถึงการนำส่งสัญญาณกลิ่นแบบรู้แจ้งเห็นจริง ทั้งนี้ด้วยความพยายามในการค้นคว้าวิจัยของผู้ได้รับรางวัลโนเบลทั้งสองท่าน ทำให้เราทราบว่าเซลล์ประสาทรับกลิ่นแต่ละเซลล์นั้นจะมีโมเลกุลรับกลิ่นเพียงชนิดเดียวเท่านั้นจากเป็นพันชนิด เซลล์รับกลิ่นที่มีโมเลกุลรับกลิ่นชนิดเดียวกันจะส่งสัญญาณไปที่ต่อมรวมประสาทแบบเดียวกัน ทำให้สมองแยกแยะได้ว่าสัญญาณที่เข้ามานั้นมากจากเซลล์ที่มีโมเลกุลรับกลิ่นแบบไหน ซึ่งสมองก็ต้องทำการประมวลผลอย่างหนักเหมือนกัน เพราะมีประเภทของโมเลกุลรับกลิ่น (ยีน) เป็นพันชนิด มีเซลล์รับกลิ่นเป็นล้านเซลล์ ที่ส่งสัญญาณมายังท่อรวมสัญญาณนับหมื่นเส้น การรับรู้กลิ่นเกิดจากการทำงานในระดับนาโน กล่าวคือ โมเลกุลของกลิ่นจะเกิดอันตรกริยาหรือจับตัวเข้ากับโมเลกุลรับกลิ่น (receptor) สมมติว่าเราดมกลิ่นทุเรียนเข้าไป ไอระเหยของทุเรียนนั้นมีโมเลกุลอินทรีย์นับสิบชนิด สมมติว่าโมเลกุลอินทรีย์ชนิดที่ 1 เข้าจับได้ดีกับโมเลกุลรับกลิ่นชนิดที่ 1, 15, 19, 21, 500 โมเลกุลอินทรีย์ชนิดที่ 2 เข้าจับได้ดีกับโมเลกุลรับกลิ่นชนิดที่ 1, 2, 5, 13, 41 โมเลกุลอินทรีย์ชนิดที่ 3 เข้าจับได้ดีกับโมเลกุลรับกลิ่นชนิดที่ 31, 33, 500, 511 เป็นต้น โดยโมเลกุลอินทรีย์จากทุเรียนสามารถเข้าจับได้ดีกับโมเลกุลรับกลิ่นได้แตกต่างกัน ก็จะเกิดรูปแบบขึ้นมา สมองก็จะจดจำว่าถ้ากลิ่นทุเรียนมาก็รู้ว่าเป็นทุเรียน ทีนี้ถ้าทุเรียนต่างชนิดกัน เช่น หมอนทอง กับ ชะนี ก็อาจมีชนิดของโมเลกุลอินทรีย์ต่างกัน ทำให้สมองจำรูปแบบได้ว่าเป็นทุเรียนคนละประเภท จะเห็นได้ว่าธรรมชาติไม่ได้ออกแบบมาให้โมเลกุลรับกลิ่น (receptor) แต่ละชนิดนั้นจับกับโมเลกุลกลิ่นได้เพียงชนิดเดียว แต่สามารถจับกับโมเลกุลกลิ่นได้หลายชนิด ในขณะเดียวกันโมเลกุลกลิ่นชนิดหนึ่งๆก็สามารถไปจับกับโมเลกุลรับกลิ่น (receptor) ได้หลายชนิด นี่คือคำอธิบายว่าทำไมสุนัขถึงจดจำเจ้าของได้ เพราะรูปแบบที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลกลิ่น-โมเลกุลรับกลิ่น มีความจำเพาะเจาะจงและซับซ้อน อีกทั้งยังมีความหลากหลายทำให้ไม่ซ้ำกัน

>>อ่านต่อที่...>>http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/i-sense/nose/e-nose.html

>>More Detail>>http://science.nasa.gov/headlines/y2004/06oct_enose.htm