Phosphoproteome modifications and cortical circuit dysfunction are linked to the early-stage progression of alpha-synuclein aggregation.

पार्किंसंस रोग को अक्सर शरीर को प्रभावित करने वाले कंपकंपाहट और अकड़न द्वारा पहचाना जाता है, लेकिन इस स्थिति के साथ जी रहे कई लोगों के लिए, सबसे कष्टदायक चुनौतियां संज्ञानात्मक (cognitive) होती हैं: याददाश्त की कमी, भ्रम और मनोदशा में बदलाव। ये गैर-मोटर लक्षण इसलिए उत्पन्न होते हैं क्योंकि यह रोग मस्तिष्क की उन गहरी संरचनाओं तक सीमित नहीं रहता जो गति को नियंत्रित करती हैं, बल्कि यह मस्तिष्क की बाहरी परतों, यानी कॉर्टेक्स (cortex) तक फैल जाता है, जो सोचने और महसूस करने का कार्य संभालती है। इस प्रसार में एक प्रमुख भूमिका अल्फा-सिन्यूक्लिन (alpha-synuclein) नामक प्रोटीन की है। एक स्वस्थ मस्तिष्क में, यह प्रोटीन तंत्रिका कोशिकाओं (nerve cells) के बीच संचार प्रबंधित करने में मदद करता है। हालाँकि, जब यह खराब हो जाता है, तो यह चिपचिपे, धागे जैसे रेशों में आपस में जुड़ जाता है जो एक न्यूरॉन से दूसरे तक यात्रा करते हैं, और रास्ते में स्वस्थ कोशिकाओं को भी भ्रष्ट कर देते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि ये गुच्छे अंततः मस्तिष्क की कोशिकाओं को मार देते हैं, लेकिन महत्वपूर्ण प्रश्न यह था कि कोशिका मृत्यु होने से पहले मस्तिष्क में क्या होता है। मस्तिष्क जीवित रहते हुए भी होने वाले शुरुआती आणविक परिवर्तनों को समझना इस बीमारी को अपरिवært (irreversible) क्षति पहुँचाने से पहले रोकने के नए तरीके प्रकट कर सकता है।

इन शुरुआती घटनाओं की जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसे मॉडल का उपयोग किया जो पार्किंसंस की पैथोलॉजी (pathology) की नकल करता है। उन्होंने चूहों और मूषकों के स्ट्रिएटम (striatum), जो मस्तिष्क का एक गहरा क्षेत्र है, में अल्फा-सिन्यूक्लिन के पूर्व-निर्मित रेशों की सूक्ष्म मात्रा इंजेक्ट की। यह इंजेक्शन एक 'बीज' की तरह कार्य करता है, जो जानवरों के अपने प्राकृतिक अल्फा-सिन्यूक्लिन को आपस में जुड़ने और जुड़े हुए क्षेत्रों, जैसे कि सेंसरिमोटर कॉर्टेक्स (sensorimotor cortex) तक फैलने के लिए प्रेरित करता है, जो गति और संवेदना के लिए एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है। टीम ने तीन महीने का इंतजार किया, जो इतना लंबा समय था कि गुच्छे बन सकें और यात्रा कर सकें, लेकिन इतना कम भी था कि जानवरों में महत्वपूर्ण संख्या में मस्तिष्क कोशिकाएं नष्ट न हुई हों या कोई स्पष्ट व्यवहार संबंधी कमी न दिखाई दी हो। इस विशिष्ट समय अंतराल पर मस्तिष्क के ऊतकों की जांच करके, शोधकर्ताओं का लक्ष्य बीमारी को कोशिका मृत्यु होने से पहले कोशिकीय कार्यों को बाधित करते हुए पकड़ना था।

वैज्ञानिकों ने मस्तिष्क के ऊतकों का बहु-स्तरीय विश्लेषण किया, जिसमें उन्होंने प्रोटीनों के कुल संग्रह, उनसे जुड़े विशिष्ट रासायनिक टैग और कोशिका झिल्ली बनाने वाले वसा (fats) का अध्ययन किया। आश्चर्यजनक रूप से, जब उन्होंने प्रोटीनों की कुल मात्रा या मौजूद वसा के प्रकारों को देखा, तो उपचारित जानवरों के मस्तिष्क नियंत्रण समूहों (control animals) के लगभग समान ही दिखे। उनके कोशिकीय घटकों के इन्वेंट्री में कोई बड़ा बदलाव नहीं था। हालाँकि, जब उन्होंने सूक्ष्म स्तर पर उन रासायनिक टैगों को देखा जिन्हें फॉस्फेट्स (phosphates) कहा जाता है, जो प्रोटीन गतिविधि के लिए 'ऑन-ऑफ स्विच' की तरह कार्य करते हैं, तो तस्वीर नाटकीय रूप से बदल गई। उपचारित मस्तिष्क में इन स्विचों को चालू या बंद करने के तरीके में सैकड़ों महत्वपूर्ण परिवर्तन देखे गए। यह खोज बताती है कि बीमारी का प्रारंभिक चरण प्रोटीनों की कमी या कोशिका की बुनियादी संरचना में बदलाव से नहीं, बल्कि उन संकेतों के अराजक पुनर्गठन (rewiring) से परिभाषित होता है जो उन प्रोटीनों को बताते हैं कि उन्हें क्या करना है।

इन परिवर्तित संकेतों के आगे के विश्लेषण से पता चला कि मस्तिष्क का संचार नेटवर्क तनाव में था। परिवर्तन उन प्रोटीनों में केंद्रित थे जो सिनैप्टिक ट्रांसमिशन (synaptic transmission) के लिए जिम्मेदार हैं—वह प्रक्रिया जिसके माध्यम से न्यूरॉन्स एक-दूसरे को संदेश भेजते हैं—और उन प्रोटीनों में जो कोशिका के आंतरिक कंकाल को बनाए रखते हैं। शोधकर्ताओं ने यह अनुमान लगाने के लिए कंप्यूटर टूल का उपयोग किया कि कौन से एंजाइम, या आणविक मशीनें, इन स्विचों को बदलने के लिए जिम्मेदार थीं। उन्होंने मजबूत प्रमाण पाए कि दो विशिष्ट प्रकार के एंजाइम, जिन्हें केसीन के-2 (casein kinase-2) और प्रोटीन के-ए (protein kinase A) के रूप में जाना जाता है, अत्यधिक सक्रिय हो रहे थे। इससे भी अधिक उल्लेखनीय रूप से, उन्होंने MAPK सिग्नलिंग कैस्केड (MAPK signaling cascade) की गतिविधि में उछाल की पहचान की, जो एक ऐसा मार्ग है जो अक्सर कोशिकाओं के तनाव और विकास के प्रति प्रतिक्रिया देने में शामिल होता है। यह सुझाव देता है कि अल्फा-सिन्यूक्लिन के गुच्छों की उपस्थिति एक जटिल, बहु-एंजाइम प्रतिक्रिया को ट्रिगर करती है जो न्यूरॉन्स के संचार और उनके ढांचे को बनाए रखने के तरीके को बदल देती है।

यह देखने के लिए कि क्या ये आणविक परिवर्तन वास्तव में मस्तिष्क के कार्य में परिवर्तित हुए, टीम ने उपचारित चूहों के सेंसरिमोटर कॉर्टेक्स में न्यूरॉन्स की विद्युत गतिविधि को रिकॉर्ड किया। उन्होंने पाया कि न्यूरॉन्स सामान्य से अधिक बार फायर कर रहे थे, जिसे हाइपरएक्सिटेबिलिटी (hyperexcitability) की स्थिति कहा जाता है। इसके अलावा, न्यूरॉन्स अधिक सिंक्रोनाइज्ड (synchronized) तरीके से फायर कर रहे थे, यानी उनके विद्युत स्पाइक्स नेटवर्क में एक-दूसरे के साथ तालमेल बिठाकर चल रहे थे। यह इंगित करता है कि बीमारी केवल मस्तिष्क को शांत नहीं कर रही है, जैसा कि एक न्यूरोडीजेनेरेटिव स्थिति में अपेक्षित होता है, बल्कि यह सर्किट को अत्यधिक सक्रिय और अव्यवस्थित भी कर रही है। यह विद्युत अराजकता परिवर्तित सिनैप्टिक स्विचों के आणविक निष्कर्षों के साथ पूरी तरह मेल खाती है, जो एक ऐसे मस्तिष्क की तस्वीर पेश करती है जो कोशिका मृत्यु होने से बहुत पहले ही अपने संचार संकेतों को विनियमित करने के लिए संघर्ष कर रहा है।

शायद सबसे चौंकाने वाली खोज न्यूरॉन्स के भीतर इन तनाव संकेतों का भौतिक स्थान थी। जब शोधकर्ताओं ने अल्फा-सिन्यूक्लिन के गुच्छों वाले कोशिकाओं को करीब से देखा, तो उन्होंने साइटोप्लाज्म (cytoplasm)—जो कोशिका के भीतर लेकिन केंद्रक के बाहर का तरल स्थान है—में छोटे, दानेदार संरचनाओं को जमा होते पाया। ये संरचनाएं सक्रिय MAPK एंजाइम से समृद्ध थीं। ये दाने ज्ञात 'ग्रैनुलोवैक्यूओलर बॉडीज' (granulovacuolar bodies) जैसे दिखते थे, जो अल्जाइमर जैसी अन्य न्यूरोडीजेनेरेटिव बीमारियों में देखे गए हैं, लेकिन पहली बार इन्हें इस विशिष्ट तरीके से अल्फा-सिन्यूक्लिन एकत्रीकरण (aggregation) से स्पष्ट रूप से जोड़ा गया था। महत्वपूर्ण रूप से, ये तनाव शरीर (stress bodies) उन न्यूरॉन्स में दिखाई दिए जो विषाक्त गुच्छों को ले जा रहे थे, और वे प्रारंभिक इंजेक्शन के एक महीने बाद ही बन गए थे। यह खोज कोशिकीय संकट का एक मूर्त, भौतिक मार्कर प्रदान करती है जो बीमारी की प्रक्रिया में बहुत जल्दी होता है, जो बाद में होने वाली कोशिका मृत्यु से भिन्न है।

अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि इस चरण में क्या नहीं हो रहा है। तीव्र आणविक सिग्नलिंग और विद्युत परिवर्तनों के बावजूद, शोधकर्ताओं को डेंड्राइटिक स्पाइन्स (dendritic spines)—न्यूरॉन्स पर मौजूद वे सूक्ष्म उभार जहाँ कनेक्शन बनते हैं—के महत्वपूर्ण नुकसान का कोई प्रमाण नहीं मिला। इसका अर्थ यह है कि सर्किट डिसफंक्शन और रासायनिक अराजकता तब भी हो रही है जब सिनैप्स की भौतिक संरचना बरकरार है। मस्तिष्क अभी टूट नहीं रहा है; यह केवल गलत तरीके से काम (misfiring) कर रहा है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि हालांकि कुछ ग्लियल कोशिकाओं (glial cells), जो मस्तिष्क की सहायक कोशिकाएं हैं, ने सक्रियता के संकेत दिखाए, लेकिन इन नाटकीय रासायनिक परिवर्तनों का प्राथमिक स्रोत स्वयं न्यूरॉन्स ही प्रतीत हुए। यह अंतर महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सुझाव देता है कि न्यूरॉन्स केवल बाहरी सूजन के प्रति निष्क्रिय रूप से समर्पण नहीं कर रहे हैं, बल्कि वे विषाक्त गुच्छों के प्रति एक जटिल आंतरिक सिग्नलिंग कैस्केड के साथ सक्रिय रूप से प्रतिक्रिया कर रहे हैं।

आणविक स्विचों, विद्युत गतिविधि और भौतिक तनाव निकायों के बीच के संबंधों को जोड़कर, यह शोध इस बात का नया दृष्टिकोण प्रदान करता है कि पार्किंसंस रोग मस्तिष्क के सोचने वाले हिस्सों को प्रभावित करना कैसे शुरू करता है। यह दिखाता है कि अल्फा-सिन्यूक्लिन के गुच्छों का प्रसार एक विशिष्ट श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) को सक्रिय करता है: यह उन एंजाइमों के सेट को सक्रिय करता है जो सिनैप्टिक कार्य को नियंत्रित करने वाले संकेतों को अस्त-व्यस्त कर देते हैं, जिससे हाइपरएक्सिटेबिलिटी और कोशिका के भीतर तनाव कणों (stress granules) का निर्माण होता है। ये घटनाएं न्यूरॉन्स के मरने से बहुत पहले होती हैं, जो एक ऐसे अवसर की खिड़की (window of opportunity) का सुझाव देती है जहाँ मस्तिष्क जीवित तो है लेकिन कार्यात्मक रूप से समझौता किया गया है। इन विशिष्ट सिग्नलिंग मार्गों और उनके द्वारा बनाए गए भौतिक तनाव निकायों की पहचान भविष्य की चिकित्सा के लिए नए लक्ष्यों का एक सेट प्रदान करती है। कोशिकाओं के मरने का इंतजार करने के बजाय, उपचार संभावित रूप से इन अत्यधिक सक्रिय सिग्नलिंग मार्गों को शांत करने या इन तनाव कणों के निर्माण को रोकने पर केंद्रित हो सकते हैं, जिससे बीमारी के शुरुआती चरणों में संज्ञानात्मक कार्य को संरक्षित किया जा सक सकता है।