Propagation electrodynamics differential conduction of action potentials in geometrically branched squid giant axons
यह शोध पत्र एक नवीन मैक्सवेल-केबल ढांचे को प्रस्तुत करता है जो न्यूरोनल मॉडलिंग में विद्युत चुम्बकीय प्रेरण, लोरेंत्ज़ बलों और क्वांटम सुधारों को एकीकृत करता है, जिससे यह प्रकट होता है कि ये पूर्व में उपेक्षित प्रभाव ज्यामितीय रूप से शाखित स्क्विड जाइंट एक्सोन (squid giant axons) में एक्शन पोटेंशियल प्रसार, चालन सीमा (conduction thresholds) और वेग स्केलिंग को महत्वपूर्ण रूप से परिवर्तित करते हैं।
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मस्तिष्क के भीतर, सोचने, महसूस करने और चलने की सबसे मौलिक क्रिया एक सरल लेकिन गहन घटना पर निर्भर करती है: एक तार के साथ यात्रा करती बिजली की एक चिंगारी। ये तार तांबे या सिलिकॉन के नहीं, बल्कि तंत्रिका कोशिकाओं के लंबे, पतले विस्तार हैं जिन्हें एक्सोन (axon) कहा जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि ये संकेत कैसे चलते हैं, जिसके लिए 'केबल थ्योरी' (cable theory) नामक नियमों के एक समूह का उपयोग किया जाता है। यह सिद्धांत एक्सोन को एक लंबे, लीकी (leaky) पाइप की तरह मानता है, जहाँ बिजली केंद्र में बहती है और किनारों से बाहर निकल जाती है। यह एक सीधे, एकसमान ट्यूब में संकेत के यात्रा करने के तरीके को समझाने के लिए पर्याप्त रूप से काम करता है। हालाँकि, वास्तविक मस्तिष्क सीधे ट्यूबों का संग्रह नहीं है। यह शाखाओं का एक उलझा हुआ जंगल है, जहाँ एक एकल तंत्रिका तंतु दो में, फिर चार में, और फिर कई और में विभाजित होता है, जिससे एक जटिल ज्यामितीय पहेली बन जाती है। जब एक संकेत सड़क के मोड़ (fork) पर पहुँचता है, तो उसे अपनी ऊर्जा को विभाजित करने का निर्णय लेना होता है। पुराने नियमों ने माना था कि यदि शाखाएँ समान आकार की हैं, तो संकेत समान रूप से विभाजित होगा, और यदि वे भिन्न हैं, तो विभाजन पूरी तरह से उनकी चौड़ाई के आधार पर एक अनुमानित पैटर्न का पालन करेगा।
लेकिन क्या होगा यदि पुराने नियम पहेली का एक हिस्सा भूल रहे हैं? क्या होगा यदि इन सूक्ष्म तारों के माध्यम से बिजली की गति अपने स्वयं के अदृश्य चुंबकीय क्षेत्र को जन्म देती है, और वह क्षेत्र, बदले में, बिजली पर वापस दबाव डालता है? यह वह प्रश्न है जिसका उत्तर देने के लिए शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रयास किया। उन्होंने तंत्रिका संकेतों के यात्रा करने का एक नया, अधिक पूर्ण मॉडल बनाया, जो न केवल विद्युत प्रवाह को देखता है बल्कि उन चुंबकीय बलों को भी ध्यान में रखता है जो करंट के चलते ही उत्पन्न होते हैं। कंप्यूटर पर इन अंतःक्रियाओं का अनुकरण (simulation) करके, उन्होंने पाया कि चुंबकीय प्रभाव केवल एक छोटा विवरण नहीं है जिसे अनदेखा किया जा सके; वे इस बात को बदलने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हैं कि संकेत कितनी तेजी से चलता है, एक शाखा बिंदु पर उसका व्यवहार कैसा होता है, और यहाँ तक कि क्या वह जंक्शन को पार करने में सफल होता है या नहीं।
शोधकर्ताओं ने मानक तंत्रिका कोशिका मॉडल को लेकर उसमें पूर्ण विद्युत चुंबकत्व (electromagnetism) के नियमों को जोड़ा। पारंपरिक दृष्टिकोण में, एक तंत्रिका संकेत एक बेलन (cylinder) के साथ चलती वोल्टेज की एक लहर है। इस नए दृष्टिकोण में, बिजली की वह चलती हुई लहर एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है, और वह चुंबकीय क्षेत्र एक बल पैदा करता है जो कोशिका के भीतर चलते आयनों पर कार्य करता है। यह बिजली और चुंबकत्व के बीच एक दो-तरफा संवाद है। इसका परीक्षण करने के लिए, टीम ने एक आभासी वातावरण बनाया जहाँ वे इन संकेतों को शाखाओं वाली संरचनाओं के माध्यम से यात्रा करते हुए देख सके, ठीक वैसे ही जैसे एक पेड़ का तना शाखाओं में विभाजित होता है। उन्होंने हजारों सिमुलेशन चलाए, जिसमें उन्होंने मूल शाखा और बाल शाखाओं (child branches) की मोटाई को बदला, और यह देखा कि जब संकेत मोड़ पर पहुँचा तो क्या हुआ।
परिणाम आश्चर्यजनक थे। पुराने मॉडल में, यदि आप एक बाल शाखा को बहुत चौड़ा बनाते, तो संकेत आसानी से उसमें प्रवाहित हो जाता, शायद दूसरी, संकरी शाखा में थोड़ा धीमा हो जाता। नए मॉडल में, चुंबकीय बलों ने परिणाम को पूरी तरह से बदल दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि चुंबकीय प्रभाव ने एक जंक्शन को पार करना बहुत कठिन बना दिया। वास्तव में, संकेत एक बाल शाखा में उस आकार से बहुत पहले ही विफल हो जाएगा जो पुराने सिद्धांत के अनुसार अपेक्षित था। ऐसा लग रहा था जैसे चुंबकीय क्षेत्र ने एक अदृश्य दीवार बना दी हो, जिसने संकेत को उस बिंदु तक पहुँचने से पहले ही रोक दिया जहाँ पुराना सिद्धांत कहता था कि उसे रुक जाना चाहिए। इसका अर्थ यह है कि वास्तविक मस्तिष्क में, एक शाखा बिंदु पर संकेत के अटक जाने की सीमा हमारी सोच से कम है; ये मोड़ पर संकेत पहले की तुलना में अधिक नाजुक होते हैं।
अध्ययन में यह भी देखा गया कि क्या होता है जब दो शाखाएँ बिल्कुल एक ही आकार की होती हैं। पुराने नियमों के अनुसार, यदि एक संकेत ऐसे विभाजन पर पहुँचता है जहाँ दोनों पथ समान हैं, तो उसे पूरी तरह से समान रूप से विभाजित होना चाहिए, और दोनों शाखाओं में समान गति से यात्रा करनी चाहिए। नए सिमुलेशन ने दिखाया कि एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र इस पूर्ण समरूपता (symmetry) को तोड़ सकता है। यदि आप बगल से एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं, तो संकेत एक शाखा में तेज हो जाता है और दूसरी में धीमा हो जाता है, भले ही शाखाएँ भौतिक रूप से समान हों। चुंबकीय बल विद्युत आवेशों को उनके गति की दिशा के सापेक्ष अलग-अलग तरह से धकेलता है। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क की वायरिंग उस चुंबकीय वातावरण के प्रति संवेदनशील हो सकती है जिसे हमने कभी नहीं सोचा था, जिससे बाहरी चुंबकीय क्षेत्र संभावित रूप से एक एकल न्यूरॉन के माध्यम से सूचना के मार्ग को सूक्ष्म रूप से बदलने में सक्षम हो सकते हैं।
शायद सबसे चौंकाने वाला निष्कर्ष संकेत की गति से संबंधित था। लंबे समय से, वैज्ञानिक मानते आए थे कि तंत्रिका संकेत की गति एक्सोन की मोटाई के वर्गमूल (square root) के साथ बढ़ती है। एक मोटा तार कम प्रतिरोध का अर्थ है, इसलिए संकेत तेजी से चलता है। नए सिमुलेशन में पतले और मध्यम आकार के तारों के लिए यह नियम सही रहा। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने मूल शाखा को बहुत मोटा बनाया, तो संकेत तेज और तेज नहीं होता गया। इसके बजाय, वह एक दीवार से टकरा गया। चुंबकीय फीडबैक इतना मजबूत हो गया कि बड़े केबल व्यास पर इसने संकेत को धीमा कर दिया और कुछ मामलों में, इसे प्रस्थान बिंदु छोड़ने से पहले ही रोक दिया। पुराना सिद्धांत भविष्यवाणी करता था कि एक बहुत मोटा तार हमेशा संकेतों के लिए एक सुपरहाइवे होगा, लेकिन नया मॉडल दिखाता है कि इसकी एक सीमा है। यदि तार बहुत मोटा है, तो करंट के विशाल प्रवाह से उत्पन्न चुंबकीय बल एक फीडबैक लूप बना देते हैं जो संकेत को रोक देता है।
ये निष्कर्ष एक परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं जिसने विद्युत सर्किट के समीकरणों को चुंबकीय क्षेत्रों के समीकरणों के साथ जोड़ा। शोधकर्ताओं ने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो इन समीकरणों को चरण-दर-चरण हल करती है, जिससे यह ट्रैक किया जा सके कि वोल्टेज, करंट और चुंबकीय क्षेत्र एक साथ समय के साथ कैसे बदलते हैं। उन्होंने अपना काम यह सुनिश्चित करके जांचा कि जंक्शन में प्रवेश करने वाला कुल करंट हमेशा बाहर निकलने वाले कुल करंट के बराबर हो, जो भौतिकी का एक मौलिक नियम है। जब उन्होंने चुंबकीय पदों (terms) को जोड़ा, तो उन्होंने पाया कि संतुलन के लिए संकेत के विभाजन के तरीके की गणना करने के एक नए तरीके की आवश्यकता थी। उन्होंने एक नया सूत्र प्रस्तावित किया जिसमें ये चुंबकीय प्रभाव शामिल हैं, जो इस बात को बदल देता है कि हमें तंत्रिका शाखाओं की ज्यामिति के बारे में कैसे सोचना चाहिए।
इस कार्य के निहितार्थ मस्तिष्क को समझने के लिए महत्वपूर्ण हैं। यदि चुंबकीय प्रभाव वास्तविक और मापने योग्य हैं, तो हमारे न्यूरॉन्स के जटिल, शाखाओं वाले पेड़ों के माध्यम से संकेतों के यात्रा करने का तरीका सरल विद्युत मॉडलों के सुझाव से कहीं अधिक जटिल है। मस्तिष्क चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति हमारी कल्पना से अधिक संवेदनशील हो सकता है, और शाखा बिंदुओं पर संकेत कब विफल होते हैं या सफल होते हैं, इसके नियम को फिर से लिखने की आवश्यकता हो सकती है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि भविष्य के अध्ययनों को वास्तविक जैविक ऊतकों में इन प्रभावों को देखना चाहिए, शायद उच्च-रिज़ॉल्यूशन माप का उपयोग करके यह देखने के लिए कि क्या संकेत सिमुलेशन द्वारा की गई भविष्यवाणियों के अनुसार व्यवहार करते हैं। फिलहाल, यह कार्य एक अनुस्मारक के रूप में खड़ा है कि एक तंत्रिका कोशिका की सूक्ष्म, भीड़भाड़ वाली दुनिया में भी, बिजली और चुंबकत्व की ताकतें आपस में अविभाज्य रूप से जुड़ी हुई हैं, जो विचार और संवेदना के प्रवाह को उन तरीकों से आकार देती हैं जिन्हें पुराने, सरल मॉडल देख नहीं सके।
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