Distributed neural dynamics underlie the shift from movement preparation to execution
सोर्स-रिज़ॉल्व्ड एमईजी (MEG) का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रकट करता है कि गति की तैयारी से निष्पादन में संक्रमण हिप्पोकैम्पस से उत्पन्न होकर प्रीमोटर क्षेत्रों के माध्यम से एम1 (M1) तक प्रसारित होने वाले एक पदानुक्रमित स्थानिक-कालिक प्रपात (hierarchical spatiotemporal cascade) द्वारा संचालित होता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि कुशल स्मृति-निर्देशित क्रिया केवल मोटर कॉर्टेक्स गतिविधि पर नहीं, बल्कि हिप्पोकैम्पल मेमोरी सिस्टम के प्राथमिक मोटर आउटपुट के साथ एकीकरण पर निर्भर करती है।
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जब भी आप हिलने-डुलने का निर्णय लेते हैं, तो आपका मस्तिष्क एक सूक्ष्म संतुलन बनाने का कार्य करता है। इसे एक योजना को मन में बनाए रखना होता है, उसे तैयार रखना होता है लेकिन सुरक्षित रखना होता है, जब तक कि वह सटीक क्षण न आ जाए जब आपको कार्य करना हो। यदि वह योजना बहुत जल्दी बाहर निकल गई, तो आपके हाथ में तब तक झटका लग सकता है जब तक आप तैयार न हों, या आप चलने शुरू कर सकते हैं जब तक आपने यह तय न किया हो कि कहाँ जाना है। दशकों से, बंदरों के मस्तिष्क का अध्ययन करने वाले वैज्ञानिकों ने यह जान लिया है कि मस्तिष्क इस समस्या को गतिविधि के दो अलग-अलग "मोड" का उपयोग करके हल करता है। एक मोड तैयारी के लिए है, जहाँ मस्तिष्क बिना मांसपेशियों को कोई संकेत भेजे गति के विवरण को व्यवस्थित करता है। दूसरा मोड निष्पादन (execution) के लिए है, जहाँ वे संकेत शरीर को चलाने के लिए जारी किए जाते हैं। ये दो मोड मस्तिष्क की विद्युत गतिविधि में अलग-अलग स्थानों पर रहते हैं, जैसे कि दो अलग कमरे जो एक-दूसरे पर ओवरलैप नहीं होते, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि योजना तब तक सुरक्षित रहे जब तक कि कार्य करने का समय न आ जाए।
हालाँकि, इन दो मोडों के बारे में हम जो कुछ भी जानते हैं वह केवल मस्तिष्क के एक छोटे से हिस्से, प्राथमिक मोटर कॉर्टेक्स (primary motor cortex) को देखने से आता है, जो सतह के पास स्थित है और सीधे मांसपेशियों को नियंत्रित करता है। यह रहस्य बना हुआ है कि क्या नियोजन (planning) और करने (doing) के बीच यह अलगाव मस्तिष्क के हर हिस्से में होता है, या यह केवल उस एक नियंत्रण केंद्र तक ही सीमित है। इसके अलावा, जब हम स्मृति से जटिल क्रियाएं करते हैं, जैसे पियानो पर सुरों का एक क्रम बजाना या एक परिचित पासवर्ड टाइप करना, तो मस्तिष्क संभवतः स्मृति और उच्च-स्तरीय सोच के लिए जिम्मेदार क्षेत्रों सहित एक बहुत व्यापक नेटवर्क का उपयोग करता है। यह स्पष्ट नहीं था कि ये दूरस्थ क्षेत्र क्रिया के बारेंे सोचने से लेकर वास्तव में उसे करने के बीच समन्वय कैसे स्थापित करते हैं।
बर्मिंघम विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने पूरे मानव मस्तिष्क में इस संक्रमण (transition) का मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने स्वयंसेवकों के एक समूह को उंगलियों से टैप करने के चार अलग-अलग अनुक्रम (sequences) सीखने के लिए कहा, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट अमूर्त चित्र से जुड़ा था। दो दिनों तक अभ्यास करने के बाद, प्रतिभागियों ने एक विशेष कमरे में प्रवेश किया जहाँ वे एक हेलमेट पहनकर स्मृति से इन अनुक्रमों को निष्पादित कर सकते थे, जो मस्तिष्क के चुंबकीय क्षेत्रों को मापता था। यह तकनीक, जिसे मैग्नेटोएन्सेफालोग्राफी (magnetoencephalography) कहा जाता है, वैज्ञानिकों को अत्यधिक सटीकता के साथ वास्तविक समय में मस्तिष्क की गतिविधि को देखने की अनुमति देती थी, जिससे वे ट्रैक कर सके कि विभिन्न क्षेत्र तैयारी के चरण से निष्पादन के चरण में कैसे बदलते हैं।
शोधकर्ताओं ने पाया कि मस्तिष्क गति शुरू करने के लिए केवल एक स्विच नहीं दबाता है। इसके बजाय, संक्रमण मस्तिष्क के माध्यम से एक विशिष्ट, व्यवस्थित लहर (wave) के रूप में होता है। यह बदलाव मस्तिष्क के भीतर गहराई में हिप्पोकैम्पस (hippocampus) से शुरू होता है, जो स्मृति के लिए प्रसिद्ध क्षेत्र है। पहली उंगली हिलने से लगभग 600 मिलीसेकंड पहले, हिप्पोकैम्पस अपनी गतिविधि का पैटर्न बदलना शुरू कर देता है, जो संकेत देता है कि अनुक्रम की स्मृति तैयार है। यह परिवर्तन फिर प्री-सप्लीमेंट्री मोटर एरिया और सप्लीमेंट्री मोटर एरिया की ओर फैलता है, जो जटिल गतिविधियों की योजना बनाने में शामिल क्षेत्र हैं। अंत में, यह परिवर्तन प्राथमिक मोटर कॉर्टेक्स तक पहुँचता है, जो उंगलियों को सीधे नियंत्रित करने वाला क्षेत्र है, बटन दबाने से ठीक 160 मिलीसेकंड पहले। यह समयबद्धता एक 'टॉप-डाउन' प्रक्रिया का सुझाव देती है जहाँ स्मृति प्रणाली परिवर्तन की शुरुआत करती है, और संकेत मांसपेशियों तक नीचे की ओर प्रवाहित होता है, बजाय इसके कि मस्तिष्क के सभी भाग एक ही क्षण में बदल जाएँ।
जब वैज्ञानिकों ने मस्तिष्क की गतिविधि की ज्यामिति (geometry) को देखा, तो उन्होंने पाया कि तैयारी और निष्पादन चरण वास्तव में अलग-अलग स्थान घेरते हैं, जैसा कि बंदरों के अध्ययनों में देखे गए अलग-अलग कमरों की तरह। हालाँकि, ये कमरे पूरी तरह से अलग नहीं हैं; इनकी कुछ दीवारें साझा हैं। तैयारी और निष्पादन के दौरान मस्तिष्क की गतिविधि इतनी समान है कि वे थोड़ा ओवरलैप कर सकती हैं, लेकिन इतनी विशिष्ट है कि स्पष्ट रूप से अलग पहचानी जा सके। यह आंशिक ओवरलैप बताता है कि जब हम किसी गति के अनुक्रम की तैयारी करते हैं, तो हम केवल अपने मन में एक स्थिर छवि ही नहीं रखते; बल्कि हम संभवतः गति का एक शांत, आंतरिक सिमुलेशन (internal simulation) चला रहे होते हैं, यानी बिना वास्तव में हिले, क्रिया का पूर्वाभ्यास कर रहे होते हैं। यह आंतरिक पूर्वाभ्यास इतना मजबूत है कि इसे मस्तिष्क के संकेतों में पकड़ा जा सके, यहाँ तक कि एक भी उंगली हिलने से पहले।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि मस्तिष्क इस संक्रमण को प्रबंधित करने के लिए क्षेत्र के आधार पर अलग-अलग उपकरणों का उपयोग करता है। मोटर क्षेत्रों में, यह बदलाव विद्युत आवृत्तियों (frequencies) का एक विस्तृत मिश्रण है, जो एक साथ काम करने वाले संकेतों का एक जटिल समूह है। इसके विपरीत, हिप्पोकैम्पस मुख्य रूप से 'थीटा बैंड' (theta band) नामक एक विशिष्ट लय पर निर्भर करता है, जो स्मृति और नेविगेशन से जुड़ी एक धीमी लहर है। यह अंतर इस बात को रेखांकित करता है कि स्मृति प्रणाली और मोटर प्रणाली एक क्रिया की शुरुआत को समन्वित करने के लिए अपनी स्वयं की विशिष्ट भाषाओं का उपयोग करती हैं।
शायद सबसे आश्चर्यजनक बात यह थी कि शोधकर्ताओं ने पाया कि मस्तिष्क यह डिकोड कर सकता है कि व्यक्ति कौन सा विशिष्ट अनुक्रम करने वाला है। जबकि मोटर कॉर्टेक्स और हिप्पोकैम्पस गति शुरू होने से पहले ही आगामी अनुक्रम की भविष्यवाणी कर सकते थे, प्रीमोटर क्षेत्र (premotor areas) ऐसा नहीं कर सके। यह सुझाव देता है कि अनुक्रम का विस्तृत ब्लूप्रिंट स्मृति केंद्र और अंतिम मोटर आउटपुट क्षेत्र में निहित होता है, जबकि मध्यवर्ती नियोजन क्षेत्र केवल तभी पूरी तरह से सक्रिय होते हैं जब गति शुरू हो जाती है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि कुशलता और सटीकता के साथ हिलने-डुलने की मस्तिष्क की क्षमता एक सुव्यवस्थित, पदानुक्रमित सूचना हस्तांतरण (hierarchical handover) पर निर्भर करती है, जो स्मृति से शुरू होकर मांसपेशियों तक प्रवाहित होती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि हमारी योजनाएँ कार्य करने के अंतिम क्षण तक सुरक्षित रहें।
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