Common variation of cell abundances and gene expression in the human striatum
यह अध्ययन स्ट्रिएटम (striatum) और प्रीफ्रंटल कॉर्टेक्स (prefrontal cortex) में सामान्य कोशिकीय और जीन-अभिव्यक्ति विविधताओं को स्पष्ट करने के लिए 178 मानव दाताओं के 3.9 मिलियन नाभिकों (nuclei) के सिंगल-न्यूक्लियस आरएनए-सीक्वेंसिंग (single-nucleus RNA-seq) विश्लेषण का उपयोग करता है, जो यह प्रकट करता है कि कोशिका प्रकारों का अनुपात ग्रे मैटर क्षेत्रों में सुसंगत है, ओलिगोडेन्ड्रोटिक प्रिकर्सर कोशिकाएं (oligodendrocyte precursor cells) उम्र के साथ महत्वपूर्ण रूप से कम हो जाती हैं, और आनुवंशिक वेरिएंट्स उन कोशिका-प्रकार-विशिष्ट अभिव्यक्ति अंतरों को संचालित करते हैं जो स्ट्रिएटल (striatal) को कॉर्टिकल न्यूरॉन्स से अलग करते हैं।
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मानव मस्तिष्क एक एकल विनिर्देश (specification) के आधार पर निर्मित एक समान मशीन नहीं है। जिस तरह कोई भी दो उंगलियों के निशान एक जैसे नहीं होते, उसी तरह कोई भी दो मानव मस्तिष्क अपने कोशिकीय संरचना या आणविक गतिविधि में बिल्कुल एक जैसे नहीं होते। यह भिन्नता ही हमारे अद्वितीय व्यवहार, बीमारी के प्रति हमारी अलग-अलग संवेदनशीलता और हमारे मन के कार्य करने के विशिष्ट तरीकों का स्रोत है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि मस्तिष्क की बाहरी परत, नियोकोर्टेक्स (neocortex), व्यक्ति दर व्यक्ति भिन्न होती है। हालांकि, मस्तिष्क की गहरी, पुरानी संरचनाएं, जैसे कि स्ट्रिएटम (striatum), एक रहस्य बनी हुई हैं। स्ट्रिएटम गति, निर्णय लेने और सीखने के लिए एक महत्वपूर्ण केंद्र है, फिर भी हम बहुत कम जानते थे कि इसकी कोशिकाएं व्यक्तियों के बीच कैसे भिन्न होती हैं या वे उम्र बढ़ने के साथ कैसे बदलती हैं। सामान्य भिन्नता का मानचित्र (map) होने के बिना, यह पहचानना कठिन है कि क्या एक प्राकृतिक अंतर है और क्या बीमारी का संकेत है।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने मानव मस्तिष्क के ऊतकों (tissue) के एक विशाल संग्रह की ओर रुख किया। उन्होंने अपने बीसवें दशक के उत्तरार्ध से लेकर नब्बे वर्ष से अधिक आयु के 178 वयस्क दाताओं के नमूनों का विश्लेषण किया। एक ऐसी तकनीक का उपयोग करते हुए जो उन्हें व्यक्तिगत कोशिका नाभिक (cell nuclei) के भीतर के आनुवंशिक निर्देशों को पढ़ने की अनुमति देती है, उन्होंने लगभग चालीस लाख कोशिकाओं का परीक्षण किया। यह अध्ययन किसी एक मस्तिष्क का नहीं था, बल्कि कई लोगों की एक जनगणना थी, जिसे यह देखने के लिए डिज़ाइन किया गया था कि कौन सी विशेषताएं पूरी मानव आबादी में साझा की जाती हैं और कौन सी विशेषताएं प्रत्येक व्यक्ति के लिए अद्वितीय हैं। शोधकर्ताओं ने स्ट्रिएटम पर ध्यान केंद्रित किया, जो मस्तिष्क के गहरे हिस्से में स्थित है, और इसकी तुलना प्रीफ्रंटल कॉर्टेक्स से की, जो सतह पर स्थित एक अधिक परिचित क्षेत्र है। इतने सारे लोगों और इतनी सारी कोशिकाओं को देखकर, वे अंततः उन सूक्ष्म, प्राकृतिक अंतरों को देख सके जो हम सभी के बीच मौजूद हैं।
अध्ययन से पता चला कि मस्तिष्क का कोशिकीय परिदृश्य पहले की तुलना में कहीं अधिक परिवर्तनशील है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कुछ सहायक कोशिकाओं, जैसे कि एस्ट्रोसाइट्स (astrocytes) और माइक्रोग्लिया (microglia) की संख्या एक व्यक्ति से दूसरे व्यक्ति में काफी भिन्न होती है। यदि किसी व्यक्ति के मस्तिष्क के एक हिस्से में इन कोशिकाओं की संख्या औसत से अधिक थी, तो उनके अन्य हिस्सों में भी इनकी संख्या अधिक होने की प्रवृत्ति थी। यह सुझाव देता है कि कोशिकाओं का संतुलन एक मौलिक गुण है, जो मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों में सुसंगत रहता है। यह निरंतरता तब भी बनी रही जब शोधकर्ताओं ने ऊतक की गुणवत्ता या नमूने के संग्रह और मृत्यु के बीच के समय का हिसाब रखा, जिससे यह पुष्टि हुई कि ये अंतर जैविक वास्तविकताएं हैं न कि प्रयोग के कृत्रिम परिणाम (artifacts)।
उम्र को इन कोशिकीय समुदायों को आकार देने वाला एक शक्तिशाली बल पाया गया। जैसे-जैसे लोग बड़े होते हैं, एक विशिष्ट प्रकार की सहायक कोशिका, जिसे ओलिगोडेन्ड्रोटिक प्रिकर्सर सेल (OPC) कहा जाता है, की संख्या लगातार घटती जाती है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि तीस से अस्सी वर्ष की आयु के बीच, इन कोशिकाओं की संख्या में लगभग चालीस प्रतिशत की गिरावट आती है। यह कमी पूरे मस्तिष्क में होती है, जो गहरे स्ट्रिएटम और बाहरी कॉर्टेक्स दोनों को प्रभावित करती है। दिलचस्प बात यह है कि जबकि इन कोशिकाओं की संख्या कम हो जाती है, शेष कोशिकाएं अपनी आंतरिक आनुवंशिक गतिविधि में बड़े बदलाव नहीं दिखाती हैं। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क अनिवार्य रूप से इस नुकसान की भरपाई के लिए खुद को पुनर्गठित (rewire) नहीं करता है; बल्कि, इन कोशिकाओं का भंडार समय के साथ बस छोटा होता जाता है। अध्ययन ने यह भी नोट किया कि एक विशिष्ट प्रकार का निरोधात्मक न्यूरॉन (inhibitory neuron), जो मस्तिष्क की गतिविधि को शांत करने में मदद करता है, उम्र के साथ कम आम होता जाता है, विशेष रूप से कॉर्टेक्स में।
केवल कोशिकाओं की गिनती करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने उनके भीतर की आनुवंशिक गतिविधि को भी देखा। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे लोग उम्रदराज होते हैं, उनकी कोशिकाओं के भीतर के जीन उन तरीकों से बदलते हैं जो कोशिका के प्रकार पर अत्यधिक निर्भर करते हैं। कुछ कोशिकाओं में, तनाव और सूजन से संबंधित जीन अधिक सक्रिय हो जाते हैं, जबकि अन्य में, ऊर्जा उत्पादन और प्रोटीन निर्माण के लिए जिम्मेदार जीन कम सक्रिय हो जाते हैं। ये परिवर्तन यादृच्छिक (random) नहीं हैं; वे विशिष्ट पैटर्न का पालन करते हैं जो लोगों के बीच साझा किए जाते हैं। शोधकर्ता एक ऐसा मॉडल बनाने में सक्षम थे जो मस्तिष्क कोशिकाओं की आनुवंशिक गतिविधि को देखकर किसी व्यक्ति की आयु का अनुमान लगा सकता था, जिसमें औसत त्रुटि लगभग साढ़े छह वर्ष थी। यह "एजिंग क्लॉक" (aging clock) उनके द्वारा अध्ययन की गई लगभग हर कोशिका प्रकार के लिए काम कर गया, जो यह सुझाव देता है कि उम्र बढ़ने की जैविक प्रक्रिया मस्तिष्क की आणविक मशीनरी पर एक स्पष्ट, मापने योग्य हस्ताक्षर छोड़ती है।
अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि हमारा डीएनए इन अंतरों को कैसे प्रभावित करता है। दाताओं के आनुवंशिक कोड और उनके जीन की गतिविधि की तुलना करके, शोधकर्ताओं ने हजारों आनुवंशिक वेरिएंट्स की पहचान की जो यह प्रभावित करते हैं कि जीन कैसे चालू या बंद होते हैं। उन्होंने पाया कि ये आनुवंशिक प्रभाव अक्सर कुछ विशिष्ट कोशिका प्रकारों के लिए बहुत विशिष्ट होते हैं। एक आनुवंशिक वेरिएंट एक न्यूरॉन में जीन की गतिविधि को बदल सकता है लेकिन पास की किसी सहायक कोशिका पर कोई प्रभाव नहीं डाल सकता। यह विशिष्टता यह समझाने में मदद करती है कि मस्तिष्क विकारों के लिए कुछ आनुवंशिक जोखिम केवल मस्तिष्क के विशिष्ट हिस्सों को ही क्यों प्रभावित करते हैं। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने पाया कि स्ट्रिएटम को प्रभावित करने वाले आनुवंशिक वेरिएंट अक्सर कॉर्टेक्स को प्रभावित करने वाले वेरिएंट से भिन्न थे, जो इस बात पर प्रकाश डालता है कि इन दोनों क्षेत्रों को अलग-अलग आनुवंशिक कार्यक्रमों द्वारा नियंत्रित किया जाता है।
सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह था कि कोशिका संख्या और जीन गतिविधि में प्राकृतिक भिन्नता केवल शोर (noise) नहीं है; यह मानव मस्तिष्क की एक संरचित, जैविक विशेषता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जिन लोगों में एक क्षेत्र में एक निश्चित प्रकार की कोशिका अधिक होती है, उनमें अन्य क्षेत्रों में भी अधिक होने की प्रवृत्ति होती है, और ये पैटर्न आयु और आनुवंशिकी से जुड़े होते हैं। यह कार्य मानव मस्तिष्क को समझने के लिए एक नया आधार प्रदान करता है। सामान्य भिन्नता को क्या दिखता है, इसे स्थापित करके, वैज्ञानिक अब हंटिंगटन रोग या जुनूनी-बाध्यकारी विकार (obsessive-compulsive disorder) जैसी स्थितियों में वास्तव में क्या असामान्य है, इसे बेहतर ढंग से पहचान सकते हैं। यह डेटा, जो वैज्ञानिक समुदाय के लिए स्वतंत्र रूप से उपलब्ध है, भविष्य के अध्ययनों के लिए एक आधार के रूप में कार्य करता है, जो मानव मस्तिष्क की विविधता का एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है जो पहले गायब था। यह किसी एक खोज की कहानी नहीं है, बल्कि मस्तिष्क को देखने के एक नए तरीके की कहानी है: एक जटिल, परिवर्तनशील अंग के रूप में जहाँ प्रत्येक व्यक्ति अपने जीन और अपने वर्षों द्वारा आकार दी गई एक अद्वितीय कोशिकीय पहचान (cellular signature) रखता है।
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