Intrinsic spinal cord circuits compare sensory inputs and efference copies to correct for perturbations to ongoing movement
यह अध्ययन स्पाइनल कॉर्ड में dI3 न्यूरॉन्स को महत्वपूर्ण कंपैरेटर सर्किट के रूप में पहचानता है जो चल रहे आंदोलनों के तीव्र, ऑनलाइन सुधारों को मध्यस्थ करने के लिए मोटर कमांड की एफरेंस प्रतियों (efference copies) को मल्टीमॉडल संवेदी फीडबैक के साथ एकीकृत करते हैं।
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जब भी आप चलते हैं, आपका मस्तिष्क आपके पैरों को चलने का आदेश भेजता है। लेकिन दुनिया शायद ही कभी पूरी तरह से अनुमानित होती है। आपके पैर के नीचे एक पत्थर खिसक सकता है, या कोई जड़ आपके पैर के अंगूठे में फंस सकती है। सीधा रहने के लिए, आपके तंत्रिका तंत्र (nervous system) को तुरंत यह तुलना करनी चाहिए कि उसने क्या करने का इरादा किया था और वास्तव में क्या हुआ। यदि आपका पैर किसी बाधा से टकराता है, तो आपके शरीर को अपने पथ को सुधारने की आवश्यकता होती है, वह भी एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में, इससे बहुत पहले कि आपका मस्तिष्क उस लड़खड़ाहट को सचेत रूप से प्रोसेस करने का समय जुटा सके। यह क्षणिक समायोजन रीढ़ की हड्डी (spinal cord) के भीतर गहराई में स्थित एक छिपे हुए प्रसंस्करण स्तर पर निर्भर करता है, जो एक स्थानीय सर्किट है जो चलने के आदेश और जमीन की संवेदी वास्तविकता के बीच एक तीव्र-प्रतिक्रिया देने वाले रेफरी के रूप में कार्य करता है।
द दशकों तक, वैज्ञानिक समझते थे कि मस्तिष्क अपने स्वयं के मोटर कमांड की एक "प्रति" (copy) का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए करता है कि उसे कैसा संवेदी फीडबैक प्राप्त होगा। यह आंतरिक भविष्यवाणी मस्तिष्क को अपनी गतिविधियों के शोर को अनदेखा करने और अप्रत्याशित परिवर्तनों पर ध्यान केंद्रित करने की अनुमति देती है। हालांकि, रीढ़ की हड्डी, जो चलने के लयबद्ध पैटर्न को नियंत्रित करती है, को इस जटिल तुलना करने के लिए बहुत सरल माना जाता था। यह माना जाता था कि रीढ़ की हड्डी केवल मस्तिष्क से आदेशों का पालन करती है और सरल रिफ्लेक्सिस (reflexes) पर प्रतिक्रिया करती है, जिससे त्रुटि सुधार का परिष्कृत कार्य मस्तिष्क के उच्च केंद्रों के लिए छोड़ दिया जाता है। एक नया अध्ययन इस दृष्टिकोण को चुनौती देता है, जो यह प्रकट करता है कि रीढ़ की हड्डी में अपने स्वयं के विशेष सर्किट होते हैं जो तत्काल सुधार करने के लिए मोटर कमांड की संवेदी फीडबैक के साथ तुलना करने में सक्षम हैं।
शोधकर्ताओं ने रीढ़ की हड्डी में न्यूरॉन्स के एक विशिष्ट समूह पर ध्यान केंद्रित किया जिन्हें dI3 न्यूरॉन्स कहा जाता है। ये कोशिकाएं रीढ़ की हड्डी की मध्य परतों में स्थित होती हैं, जो एक ऐसा क्षेत्र है जहां शरीर के विभिन्न हिस्सों से संकेत अभिसरित (converge) होते हैं। चूहों में उन्नत आनुवंशिक उपकरणों का उपयोग करते हुए, टीम ने इन न्यूरॉन्स के कनेक्शन को अत्यधिक सटीकता के साथ मैप किया। उन्होंने पाया कि dI3 न्यूरॉन एक 'कंपैरेटर' (तुलना करने वाले) के रूप में कार्य करने के लिए पूरी तरह से वायर्ड हैं। एक तरफ, वे त्वचा और मांसपेशियों से सीधा संवेदी सूचना प्राप्त करते हैं, जो उन्हें बताता है कि पैर कहाँ है और वह क्या छू रहा है। दूसरी ओर, उन्हें मोटर कमांड की एक "नकारात्मक छवि" (negative image) प्राप्त होती है। यह संकेत रेंशॉ कोशिकाओं (Renswh cells) से आता है, जो एक प्रकार के निरोधात्मक न्यूरॉन (inhibitory neuron) हैं जो मोटर न्यूरॉन्स द्वारा सक्रिय होते हैं। जब एक मोटर न्यूरॉन मांसपेशी को चलाने के लिए फायर करता है, तो वह साथ ही एक रेंशॉ सेल को संकेत भेजता है, जो फिर dI3 न्यूरॉन को बताता है, "हमने अभी मांसपेशी को हिलने के लिए कहा था।"
यह सेटअप dI3 न्यूरॉन को वास्तविक समय में गणना करने की अनुमति देता है। वह जानती है कि मोटर कमांड के आधार पर शरीर को क्या महसूस होना चाहिए, और वह जानती है कि संवेदी इनपुट के आधार पर शरीर वास्तव में क्या महसूस कर रहा है। यदि पैर किसी बाधा से टकराता है, तो संवेदी संकेत भविष्यवाणी से अधिक मजबूत या भिन्न होगा। dI3 न्यूरॉन इस विसंगति को तुरंत पहचान लेता है। अध्ययन ने दिखाया कि ये न्यूरॉन केवल निष्क्रिय प्राप्तकर्ता नहीं हैं; वे सक्रिय रूप से उन मोटर न्यूरॉन्स को प्रोजेक्ट करते हैं जो पैर की मांसपेशियों को नियंत्रित करते हैं, विशेष रूप से वे जो पैर को ऊपर उठाते हैं। जब शोधकर्ताओं ने इन dI3 न्यूरॉन्स की गतिविधि को कम किया, तो चूहे तेजी से अपने कदमों को सुधारने की क्षमता खो बैठे। असमान पायदानों वाली सीढ़ी या कंपन करती हुई बीम पर चलते समय, dI3 न्यूरॉन्स को शांत किए गए चूहे सामान्य चूहों की तुलना में बहुत अधिक लड़खड़ाए।
टीम ने संचार को रोकने के लिए एक दवा का उपयोग करके रेंशॉ कोशिकाओं की भूमिका का भी परीक्षण किया, जो मोटर न्यूरॉन्स और रेंशॉ सेल्स के बीच के संवाद को बाधित करती है। इस व्यवधान का वही प्रभाव हुआ जो dI3 न्यूरॉन्स को शांत करने का था: चूहे बाधाओं को पार करने के लिए आवश्यक तीव्र समायोजन करने में असमर्थ थे। इसने पुष्टि की कि रेंशॉ सेल्स द्वारा प्रदान की गई मोटर कमांड की "प्रति" (copy) dI3 न्यूरॉन्स को सही ढंग से कार्य करने के लिए आवश्यक है। इस आंतरिक भविष्यवाणी के बिना, रीढ़ की हड्डी हवा में पैर के चलने के अपेक्षित संवेदन और पत्थर से टकराने के अप्रत्याशित संवेदन के बीच अंतर नहीं कर सकती है। परिणाम एक समय पर गति को सुधारने में विफलता है।
ये निष्कर्ष सुझाव देते हैं कि रीढ़ की हड्डी पहले की तुलना में कहीं अधिक बुद्धिमान है। यह केवल दुनिया के प्रति प्रतिक्रिया नहीं करती है; यह इसका पूर्वानुमान भी लगाती है। मोटर कमांड की एक प्रति को लाइव संवेदी डेटा के साथ एकीकृत करके, dI3 न्यूरॉन्स त्रुटि सुधार के लिए एक स्थानीय प्रणाली बनाते हैं जो मिलीसेकंड में संचालित होती है। यह तंत्र अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण है, जो जानवरों को गिरने के बिना जटिल इलाकों में नेविगेट करने की अनुमति देता है। अध्ययन यह दावा नहीं करता कि मस्तिष्क महत्वहीन है; मस्तिष्क अभी भी गति की योजना बनाता है और समय के साथ गलतियों से सीखता है। हालांकि, गिरने से बचाने वाले तत्काल, क्षणिक सुधारों के लिए, रीढ़ की हड्डी के पास अपना समर्पित सर्किट है। यह खोज हमारे आंदोलन नियंत्रण की समझ को बदल देती है, यह दिखाते हुए कि अप्रत्याशित के अनुकूल होने की क्षमता हमारे तंत्रिका तंत्र की नींव में ही बनी हुई है, ठीक वहीं जहाँ नसें मांसपेशियों से मिलती हैं।
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