The effect of the excitatory feedback in anticipated synchronization and phase bistability regimes in neuronal populations

मस्तिष्क स्थिर तारों का कोई स्थिर मानचित्र नहीं है; यह एक जीवित नेटवर्क है जहाँ समान भौतिक संबंध क्षण के आधार पर गतिविधि के बिल्कुल अलग पैटर्न उत्पन्न कर सकते हैं। यह लचीलापन इस बात के लिए आवश्यक है कि हम दुनिया को कैसे देखते हैं और निर्णय कैसे लेते हैं। कॉर्टेक्स में, जो मस्तिष्क की बाहरी परत है, विभिन्न क्षेत्र संचार के दो-तरफा राजमार्गों द्वारा जुड़े होते हैं। फिर भी, इन पारस्परिक संबंधों के बावजूद, सूचना का प्रवाह अक्सर ऐसा व्यवहार करता है जैसे कि इसकी एक स्पष्ट दिशा हो, जिसमें एक क्षेत्र आगे रहता है और दूसरा पीछे चलता है। कभी-कभी, यह अनुसरण देरी के साथ होता है, क्योंकि दूसरा क्षेत्र पहले वाले की प्रतिक्रिया देता है। अन्य समय में, दूसरा क्षेत्र पहले वाले का पूर्वानुमान लगाता हुआ प्रतीत होता है, यानी संकेत पहुँचने से पहले ही वह कार्य कर देता है। यह विरोधाभासी घटना, जहाँ प्राप्तकर्ता (receiver) प्रेषक (sender) से आगे निकल जाता है, 'एंटीसिपेटेड सिंक्रोनाइज़ेशन' (anticipated synchronization) के रूप में जानी जाती है। वर्षों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि इस विशिष्ट टाइमिंग ट्रिक के लिए एक एक-तरफा रास्ता चाहिए, एक ऐसी व्यवस्था जहाँ प्रेषक, प्राप्तकर्ता से वापस कुछ न सुन सके। प्रश्न यह बना हुआ था कि क्या यह नाजुक टाइमिंग वास्तविक मस्तिष्क सर्किट की अव्यवस्थित, दो-तरफा वास्तविकता में जीवित रह सकती है।

ब्राजील, स्पेन और संयुक्त राज्य अमेरिका के शोधकर्ताओं की एक टीम ने वास्तविक कॉर्टिकल क्षेत्रों की संरचना की नकल करने के लिए डिज़ाइन किए गए न्यूरॉन्स के दो समूहों के कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। प्रत्येक समूह में पाँच सौ व्यक्तिगत कोशिकाएं थीं, जो उत्तेजक (excitatory) न्यूरॉन्स और निरोधात्मक (inhibitory) न्यूरॉन्स का मिश्रण थीं—जो गतिविधि को बढ़ाते हैं और उसे शांत करते हैं। अपने सिमुलेशन में, दोनों समूहों को दोनों दिशाओं में बहने वाले उत्तेजक संकेतों द्वारा जोड़ा गया था, जिससे एक सीधी रेखा के बजाय एक लूप बन गया। वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि क्या प्राप्तकर्ता अभी भी प्रेषक का नेतृत्व कर सकता है जब प्रेषक भी वापस संकेत भेज रहा हो। उन्होंने पाया कि उत्तर 'हाँ' था। पूर्वानुमान लगाने की क्षमता और वह विचित्र अवस्था जहाँ सिस्टम नेतृत्व करने और पीछे चलने के बीच स्विच कर सकता था, फीडबैक मजबूत होने पर भी बनी रही। मॉडल ने दिखाया कि ये जटिल टाइमिंग संबंध एक-तरफा कनेक्शन की आवश्यकता नहीं रखते; वे स्वाभाविक रूप से एक दो-तरफा सर्किट में उभर सकते हैं, बशर्ते कि प्राप्त करने वाले समूह के भीतर आंतरिक निषेध (inhibition) का संतुलन बिल्कुल सही हो।

शोधकर्ताओं ने पाया कि जब सिस्टम नेतृत्व करने से पीछे चलने की ओर स्विच करता है, तो वह मार्ग हमेशा एक जैसा नहीं होता है। प्राप्त करने वाले समूह के भीतर आंतरिक निरोधात्मक संकेतों की ताकत के आधार पर, यह संक्रमण एक या दो अलग-अलग तरीकों से होता है। कुछ मामलों में, जैसे-जैसे प्राप्तकर्ता से प्रेषक की ओर फीडबैक बढ़ा, सिस्टम अचानक आगे बढ़ने और पीछे चलने के बीच झूलने लगा, एक अवस्था में सेटल होने से पहले दोनों अवस्थाओं में समय बिताने लगा। यह 'बाइस्टेबिलिटी' (bistability) की एक अवस्था है, जहाँ सर्किट अनिश्चित होता है, और नेता या अनुयायी दोनों होने में सक्षम होता है। अन्य मामलों में, यह स्विच सुचारू और निरंतर था। सिस्टम एक ऐसे संक्षिप्त क्षण से गुजरा जहाँ दोनों समूह बिल्कुल एक ही समय पर सक्रिय हुए, जिसमें किसी भी दिशा में कोई देरी नहीं थी, इससे पहले कि प्राप्तकर्ता प्रेषक से पीछे छूट जाता। इस 'जीरो-लैग' (zero-lag) अवस्था ने दो चरम सीमाओं के बीच एक सेतु के रूप में कार्य किया। सिस्टम ने जो मार्ग लिया वह पूरी तरह से इस पर निर्भर था कि प्राप्त करने वाली आबादी में कितना निषेध मौजूद था, जो दर्शाता है कि स्थानीय कोशिकीय गुण नेटवर्क के वैश्विक समय (global timing) को निर्धारित कर सकते हैं।

अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि बाहरी शोर, या यादृच्छिक विद्युत गतिविधि, इन पैटर्न को कैसे प्रभावित करती है। जब शोधकर्ताओं ने प्राप्त करने वाले समूह पर पड़ने वाले यादृच्छिक इनपुट के स्तर को समायोजित किया, तो उन्होंने पाया कि कम शोर ने समूह को नेतृत्व करने में मदद की, जबकि अधिक शोर ने इसे पीछे चलने की भूमिका में धकेल दिया। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क पृष्ठभूमि गतिविधि में सूक्ष्म बदलावों का उपयोग करके मस्तिष्क क्षेत्रों के बीच बातचीत में कौन नेतृत्व कर रहा है, इसे तेजी से पुनर्गठित कर सकता है, बिना नए तार बनाए या पुराने तारों को हटाए। उन परिदृश्यों में जहाँ समूहों के बीच संबंध कमजोर थे, सिस्टम कभी-कभी अपनी लय पूरी तरह से खो देता था, और अराजक तरीके से तालमेल से बाहर हो जाता था। यह 'फेज ड्रिफ्ट' (phase drift), जहाँ टाइमिंग संबंध लगातार भटकता रहता है, तब दिखाई दिया जब समूहों के बीच के संकेत शोर के विरुद्ध उन्हें एक साथ रखने के लिए बहुत धुंधले थे।

ये निष्कर्ष बताते हैं कि मस्तिष्क की स्थिर शारीरिक संरचना विविध प्रकार के कार्यात्मक संबंधों का समर्थन कर सकती है। एक ही भौतिक सर्किट, फीडबैक की ताकत या आंतरिक निषेध के स्तर को समायोजित करके, एक विलंबित प्रतिक्रिया, एक अग्रिम प्रतिक्रिया, या पूर्ण संरेखण की स्थिति उत्पन्न कर सकता है। यह लचीलापन इस बात की व्याख्या करने के लिए एक संभावित आधार प्रदान करता है कि मस्तिष्क ध्यान केंद्रित करने या भाषण को संसाधित करने जैसे संज्ञानात्मक कार्यों के दौरान अपने संचार पैटर्न को कितनी तेज़ी से पुनर्गठित कर सकता है। इन मोडों के बीच स्विच करने की क्षमता, या ऐसी स्थिति में मौजूद रहने की क्षमता जहाँ दोनों संभव हों, मस्तिष्क को क्षण की मांगों के अनुसार अपने समय (timing) को अनुकूलित करने के लिए एक तंत्र प्रदान करती है। यह कार्य पुष्टि करता है कि वास्तविक मस्तिष्क रिकॉर्डिंग में देखी जाने वाली जटिल टाइमिंग सरल एक-तरफा मॉडलों का कोई कृत्रिम प्रभाव नहीं है, बल्कि एक मजबूत विशेषता है जो जीवित मस्तिष्क की पारस्परिक, दो-तरफा वास्तुकला में फल-फूल सकती है।