Large-Scale Control of Neuronal Networks In Vitro Using Perforated Microfluidic Devices

मानव मस्तिष्क की कल्पना एक विशाल, हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ अरबों न्यूरॉन्स (neurons) नागरिक हैं। एक स्वस्थ मस्तिष्क में, ये नागरिक केवल बिना किसी उद्देश्य के इधर-उधर नहीं घूमते; वे संगठित मोहल्लों में रहते हैं, विशिष्ट सड़कों का पालन करते हैं, और सीखने, याद रखने या देखने जैसे कार्यों को संभालने के लिए स्पष्ट राजमार्गों के माध्यम से संदेश भेजते हैं।

हालाँकि, जब वैज्ञानिक प्रयोगशाला की डिश में इन मस्तिष्क कोशिकाओं को उगाने की कोशिश करते हैं (in vitro), तो परिणाम आमतौर पर एक अराजक अव्यवस्था होता है। कोशिकाएं एक उलझे हुए, असंरचित जाल के रूप में बढ़ती हैं जहाँ हर कोई एक साथ चिल्ला रहा होता है, जिससे एक "हाइपरसिंक्रोनस" (hypersynchronous) शोर पैदा होता है जो वास्तविक मस्तिष्क जैसा नहीं दिखता या व्यवहार नहीं करता। यह एक ऐसा शहर बनाने जैसा है जहाँ हर कोई सड़कों को अनदेखा कर देता है और बस पार्क के बीच में ही घर बना लेता है।

वर्तमान उपकरणों के साथ समस्या
वैज्ञानिकों ने कोशिकाओं को निर्देशित करने के लिए छोटे मार्गदर्शक (guides) बनाकर इसे ठीक करने की कोशिश की है, लेकिन पिछली विधियाँ एक विशाल शहर में कुछ सड़क संकेतों को लगाने जैसी थीं। वे केवल कोशिकाओं के एक बहुत छोटे हिस्से का मार्गदर्शन कर सकते थे, जिससे अधिकांश कोशिकाएं जहाँ चाहें वहाँ बढ़ने के लिए स्वतंत्र रह जाती थीं।

नया समाधान: एक "न्यूरॉन सबवे सिस्टम"
इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नया उपकरण बनाया जिसे परफोरेटेड माइक्रोफ्लुइडिक चिप (perforated microfluidic chip) कहा गया। इस उपकरण को एक परिष्कृत सबवे सिस्टम या मल्टी-लेन हाईवे नेटवर्क के रूप में समझें जो विशेष रूप से न्यूरॉन्स के लिए डिज़ाइन किया गया है।

केवल कुछ संकेतों के बजाय, इस उपकरण में सूक्ष्म सुरंगों (microtunnels) का एक पूरा ग्रिड है जिसमें कई प्रवेश बिंदु (perforations) हैं।

• प्रवेश (The Entry): जिस तरह एक सबवे स्टेशन में लोगों के प्रवेश के लिए कई दरवाजे होते हैं, इस उपकरण में छेदों की एक श्रृंखला है जो बड़ी संख्या में कोशिकाओं को एक साथ सवार होने की अनुमति देती है।
• यात्रा (The Journey): एक बार अंदर जाने के बाद, कोशिकाओं को इन संकीर्ण सुरंगों के माध्यम से यात्रा करने के लिए मजबूर किया जाता है। शोधकर्ताओं ने विभिन्न सुरंग डिजाइनों का परीक्षण किया, लेकिन एक विशिष्ट डिजाइन ने एकतरफा सड़क (one-way street) की तरह काम किया, जो न्यूरॉन्स को एक ही, संगठित दिशा में बढ़ने के लिए मजबूर करता है।

अप्रत्याशित बोनस: क्रिस्टल क्लियर साउंड
शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या इस नए "सबवे" ने मस्तिष्क कोशिकाओं को व्यवस्थित करने में मदद की, और उन्होंने कोशिकाओं के विद्युत संकेतों को सुनने के लिए माइक्रोइलेक्ट्रोड एरे (microelectrode array) नामक एक माइक्रोफोन जैसे उपकरण का उपयोग करके परीक्षण किया।

उन्होंने दो अद्भुत चीजें पाईं:

1. व्यवस्थित यातायात (Orderly Traffic): एकतरफा सुरंग डिजाइन ने सफलतापूर्वक न्यूरॉन्स को सही दिशा में बढ़ने के लिए निर्देशित किया, जिससे एक संरचित नेटवर्क बना।
2. बेहतर ध्वनि गुणवत्ता (Better Sound Quality): शुद्ध संयोग (serendipity) से, उन्होंने पाया कि ये सुरंगें उच्च-गुणवत्ता वाले साउंडप्रूफिंग की तरह काम करती हैं। विद्युत रिकॉर्डिंग अविश्वसनीय रूप से स्पष्ट हो गई। "स्टैटिक" (शोर) गायब हो गया, और न्यूरॉन्स की "आवाजें" (स्पाइक्स) बहुत अधिक स्पष्ट और सुनने में आसान थीं। यह ऐसा था जैसे सुरंगों ने एक शोर वाले, भीड़भाड़ वाले कमरे को एक शांत पुस्तकालय में बदल दिया हो जहाँ हर फुसफुसाहट को पूरी तरह से सुना जा सकता था।

कंप्यूटर मैप
चूंकि न्यूरॉन्स कभी-कभी अप्रत्याशित तरीकों से बढ़ते थे जिन्हें अनुमान लगाना कठिन था, इसलिए टीम ने एक सरल कंप्यूटर मॉडल बनाया। इसे न्यूरॉन्स के लिए "फ्लाइट सिम्युलेटर" के रूप में समझें। अब वे भौतिक उपकरण बनाने से पहले कंप्यूटर पर सिमुलेशन चलाकर देख सकते हैं कि कोशिकाएं विभिन्न सुरंग डिजाइनों में कैसे व्यवहार करेंगी। यह उन्हें भविष्य के प्रयोगों की अधिक प्रभावी ढंग से योजना बनाने के लिए कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन (CAD) का उपयोग करने की अनुमति देता है।

सारांश में
यह शोध पत्र मस्तिष्क कोशिकाओं के लिए एक नए "हाईवे सिस्टम" का वर्णन करता है जो बड़ी संख्या में कोशिकाओं को संगठित पैटर्न में निर्देशित करता है, कुछ ऐसा जिसे पिछले उपकरण नहीं कर सके। एक बोनस के रूप में, यह सिस्टम कोशिकाओं की विद्युत बातचीत को सुनना बहुत आसान बना देता है, और टीम ने भविष्य में और भी बेहतर संस्करणों को डिजाइन करने में मदद करने के लिए एक कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया है।