Biased projection neuron-Kenyon cell connectivity shapes odor representations and learning in the Drosophila mushroom body

यह समझने के लिए कि एक जानवर कैसे सीखता है, वैज्ञानिक अक्सर मस्तिष्क के स्मृति केंद्रों (मेमोरी सेंटर्स) को देखते हैं, वे स्थान जहाँ कच्चे संवेदी डेटा (raw sensory data) को ऐसी चीज़ में बदल दिया जाता है जिसे मन संचित और पुनः स्मरण कर सके। इन केंद्रों के लिए एक प्रमुख चुनौती दो प्रतिस्पर्धी आवश्यकताओं के बीच संतुलन बनाना है: उन्हें विभिन्न प्रकार की बहुत सारी चीज़ों को पहचानने में सक्षम होना चाहिए, फिर भी उन्हें उन विशिष्ट संकेतों पर विशेष ध्यान देना चाहिए जो अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण हैं, जैसे भोजन की गंध या किसी शिकारी की। कई जानवरों में, फल मक्खी (fruit fly) सहित, यह प्रसंस्करण 'मशरूम बॉडी' नामक एक संरचना में होता है। इस संरचना के भीतर, संवेदी संकेतों की एक घनी भीड़ को प्रसंस्करण कोशिकाओं (processing cells) के एक बहुत बड़े समूह को भेजा जाता है। सैद्धांतिक मॉडलों ने लंबे समय से सुझाव दिया है कि मस्तिष्क द्वारा अधिकतम जानकारी संभालने के लिए, इन दो समूहों के बीच के संबंध पूरी तरह से यादृच्छिक (random) होने चाहिए, जैसे ताश के पत्तों को फेंटना ताकि प्रत्येक कार्ड के किसी भी स्थान पर पहुँचने की समान संभावना हो। इस यादृच्छिकता के बारे में माना जाता था कि यह सबसे विशिष्ट और अलग करने योग्य स्मृतियाँ बनाएगी। हालाँकि, एक पूरी तरह से यादृच्छिक प्रणाली में एक दोष है: यह एक खतरनाक गंध के साथ बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करती है जैसा कि एक तटस्थ गंध के साथ करती है, जिससे महत्वपूर्ण चीज़ों को प्राथमिकता देने का कोई अंतर्निहित तरीका नहीं बचता।

ड्रोसौफिला मेलानोगास्टर (Drosophila melanogaster) नामक फल मक्खी का अध्ययन करने वाले शोधकर्ताओं ने अब दिखाया है कि मस्तिष्क इस समस्या को शुद्ध यादृच्छिकता पर टिके रहने के बजाय, अपनी वायरिंग में एक सूक्ष्म, व्यवस्थित पूर्वाग्रह (systematic bias) पेश करके हल करता है। फल मक्खी के मशरूम बॉडी में, संकेत प्रोजेक्शन न्यूरॉन्स से यात्रा करते हैं, जो गंध की जानकारी ले जाते हैं, से केन्यन सेल्स (Kenyon cells) तक, जो स्मृति प्रोसेसर के रूप में कार्य करते हैं। जबकि इन कोशिकाओं के किसी भी एकल जोड़े के बीच का संबंध यादृच्छिक प्रतीत होता है, शोधकर्ताओं ने पाया कि समग्र पैटर्न यादृच्छिक नहीं है। कुछ प्रकार के प्रोजेक्शन न्यूरॉन्स, केन्यन सेल्स से अन्य की तुलना में बहुत अधिक बार जुड़ते हैं। विशेष रूप से, इन इनपुट न्यूरॉन्स के कुछ प्रकार अपने समकक्षों की तुलना में पंद्रह गुना अधिक बार जुड़ते हैं। यह एक अराजक मिश्रण नहीं है; यह एक संरचित प्राथमिकता है जो दुनिया के प्रति मस्तिष्क की प्रतिक्रिया को बदल देती है।

अध्ययन से पता चलता है कि यह वायरिंग पूर्वाग्रह सीधे तौर पर यह तय करता है कि मक्खी कैसे सीखती है। जब एक गंध केन्यन सेल्स के एक बड़े समूह को सक्रिय करती है—विशेष रूप से, उनमें से बीस प्रतिशत से अधिक को—तो मक्खी उस गंध की एक मजबूत, स्थायी स्मृति बनाती है। इसके विपरीत, वे गंध जो इन कोशिकाओं के दस प्रतिशत से कम को सक्रिय करती हैं, बहुत खराब तरीके से सीखी जाती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इनपुट न्यूरॉन्स और मेमोरी सेल्स के बीच संबंध की ताकत यह निर्धारित करती है कि कोई गंध मस्तिष्क द्वारा कितनी व्यापक रूप से महसूस की जाती है। हालाँकि, यह प्रणाली केवल मात्रा के बारे में नहीं है। शोधकर्ताओं ने इनपुट न्यूरॉन्स के एक विशिष्ट समूह की पहचान की, जिन्हें VL1 के रूप में जाना जाता है, जो अलग तरह से व्यवहार करते हैं। भले ही ये न्यूरॉन्स मेमोरी सेल्स से कमजोर रूप से जुड़ते हैं, फिर भी वे उनमें से एक विस्तृत श्रृंखला में गतिविधि उत्पन्न करने में सक्षम होते हैं। फिर भी, इस व्यापक गतिविधि के बावजूद, इन विशिष्ट न्यूरॉन्स द्वारा ले जाई जाने वाली गंध अच्छी सीख पैदा करने में विफल रहती है। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क के पास एक विशिष्ट गेट या फ़िल्टर है जो कुछ संकेतों को स्मृति तक पहुँचने देता है जबकि अन्य को रोकता है, चाहे वे कितनी भी गतिविधि पैदा करें।

ये निष्कर्ष दिखाते हैं कि फल मक्खी का मस्तिष्क स्मृतियों को संग्रहीत करने के लिए पूरी तरह से यादृच्छिक प्रक्रिया (random shuffle) पर निर्भर नहीं करता है। इसके बजाय, यह अपने भौतिक कनेक्शनों में महत्व का एक पदानुक्रम (hierarchy) समाहित करता है। इनपुट न्यूरॉन्स के कुछ प्रकारों को दूसरों पर प्राथमिकता देकर, मस्तिष्क यह सुनिश्चित करता है कि वह सुगंधों की एक विशाल विविधता के बीच अंतर करने की क्षमता बनाए रखते हुए, साथ ही यह भी सुनिश्चित कर सके कि सबसे जैविक रूप से प्रासंगिक गंधें सबसे प्रभावी ढंग से सीखी जाएं। यह कार्य दर्शाता है कि मस्तिष्क की वास्तुकला (architecture) स्वयं अस्तित्व को प्राथमिकता देती है, जिससे जीव दुनिया को पहचानने की क्षमता खोए बिना उन चीज़ों को याद रखने में सक्षम होता है जो वास्तव में मायने रखती हैं।