Neuropixels 1536 Channel Quad Base probe reveals brain-wide communication underlying flexible sensorimotor sequences

कल्पना कीजिए कि मानव मस्तिष्क ब्रह्मांड का सबसे जटिल शहर है, एक विशाल महानगर जहाँ अरबों नन्हे न्यूरॉन्स नागरिक हैं, जो हमें चलाने, सोचने और महसूस करने के लिए लगातार संदेश भेजते रहते हैं। लंबे समय तक, इस शहर के काम करने के तरीके को समझने की कोशिश करने वाले वैज्ञानिकों को ऐसे उपकरणों का उपयोग करना पड़ा जो एक भीड़ भरे स्टेडियम में केवल एक अकेली बातचीत सुनने जैसा था। वे कुछ लोगों को स्पष्ट रूप से सुन सकते थे, लेकिन वे पूरी भीड़ को एक साथ बात करते हुए नहीं सुन सकते थे, और न ही यह देख सकते थे कि विभिन्न पड़ोस अपने कार्यों का समन्वय कैसे करते हैं। मस्तिष्क कैसे व्यवहार को संचालित करता है, इसे वास्तव में समझने के लिए, शोधकर्ताओं को पूरे शहर पर एक साथ कान लगाने के एक तरीके की आवश्यकता थी, जो कई अलग-अलग जिलों में हजारों न्यूरॉन्स की तीव्र-गति वाली बातचीत को ठीक उसी क्षण पकड़ सके। यही "ब्रेन-वाइड" (मस्तिष्क-व्यापी) रिकॉर्डिंग की चुनौती है: केवल कुछ अलग-थलग हिस्सों की धुंधली तस्वीर के बजाय, पूरे नेटवर्क की एक स्पष्ट, सिंक्रोनाइज़्ड (तुल्यकालिक) तस्वीर प्राप्त करना।

यहाँ प्रवेश होता है न्यूरोपिक्सल्स 2.0 क्वाड बेस (Neuropixels 2.0 Quad Base) का, जो एक उच्च-तकनीकी उपकरण है जो मस्तिष्क के लिए एक सुपर-पावर्ड माइक्रोफोन एरे की तरह काम करता है। इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस नए उपकरण का उपयोग चूहों पर नज़र रखने के लिए किया, जो एक कठिन, तेज़ गति वाले खेल में शामिल थे जिसमें एक चलते हुए लक्ष्य को चाटना शामिल था। चूहों को अपनी जीभ से एक विशिष्ट पथ का पालन करना था, लेकिन कभी-कभी लक्ष्य अचानक पीछे की ओर चला जाता था, जिससे चूहों को तुरंत अपनी योजना बदलनी पड़ती थी और उसे पकड़ने के लिए "बैकट्रैक" (पीछे की ओर वापस जाना) करना पड़ता था। एक साथ 1,500 से अधिक चैनलों से रिकॉर्ड करके (पिछले उपकरणों की तुलना में चार गुना अधिक), वैज्ञानिक देख सके कि इस समस्या को हल करने के लिए मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों ने आपस में कैसे संवाद किया। उन्होंने पाया कि दिशा बदलने का निर्णय एक साथ नहीं हुआ; यह मोटर कॉर्टेक्स (मस्तिष्क का "मूवमेंट कंट्रोल सेंटर") में शुरू हुआ और अन्य क्षेत्रों में फैल गया। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने खोजा कि जब चूहों को तेजी से बदलाव करना पड़ता था, तो उनका मस्तिष्क केवल एक स्थानीय सर्किट को नहीं बदलता था; बल्कि वह एक "ग्लोबल मोड" (वैश्विक मोड) में चला जाता था, जहाँ पूरा मस्तिष्क नेटवर्क उस नई चुनौती को संभालने के लिए सिंक्रोनाइज़ हो जाता था। यह बताता है कि लचीला व्यवहार इस बात पर निर्भर करता है कि पूरा मस्तिष्क कुछ अलग-थलग खिलाड़ियों के बजाय एक टीम के रूप में मिलकर काम करे।

सुपर-लिसनिंग टूल (सुपर-सुनने वाला उपकरण)

मस्तिष्क को एक विशाल ऑर्केस्ट्रा के रूप में सोचें। वर्षों से, वैज्ञानिक ऑर्केस्ट्रा के छोटे हिस्सों को सुन पा रहे थे—शायद वायलिन या ब्रास सेक्शन को—मूल न्यूरोपिक्सल प्रोब्स जैसे उपकरणों का उपयोग करके। वे बेहतरीन थे, लेकिन वे एक बार में ऑर्केस्ट्रा की लगभग 384 "सीटों" को ही रिकॉर्ड कर सकते थे। यदि आप यह सुनना चाहते थे कि वायलिन, ड्रम और वुडविंड्स एक ही समय में कैसे बात करते हैं, तो आप असफल रहते; आपको उन्हें एक-एक करके सुनना पड़ता, जिससे वास्तविक समय का सामंज्य (हारमनी) छूट जाता।

शोधकर्ताओं ने एक नया वाद्य यंत्र पेश किया: न्यूरोपिक्सल्स 2.0 क्वाड बेस। यह प्रोब एक बड़ा अपग्रेड है, जो एक साथ 1,536 रिकॉर्डिंग चैनल प्रदान करता है। यह पिछले मानक टूल की क्षमता से चार गुना अधिक है। इसे देखने के लिए, कल्पना करें कि पुराना प्रोब एक कैमरा था जो स्टेडियम की चार पंक्तियों की तस्वीर ले सकता था। नया क्वाड बेस एक ऐसा कैमरा है जो सामने की पंक्ति से लेकर सबसे ऊपरी पंक्ति तक, बिना एक भी शोर छोड़े, पूरे स्टेडियम को एक ही शॉट में कैप्चर कर सकता है। टीम ने इस नए टूल का परीक्षण छह चूहों के मस्तिष्क में इन दो प्रोब्स को डालकर किया, जिससे वे एक ही सत्र में 1,000 से अधिक न्यूरॉन्स को रिकॉर्ड करने में सक्षम हुए। इसने उन्हें मस्तिष्क का वह "ग्रैंड स्केल" दृश्य दिया जो पहले प्राप्त करना असंभव था।

चूहे की चाटने की चुनौती

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह नया टूल वास्तव में मस्तिष्क के सोचने और चलने के तरीके को प्रकट कर सकता है, शोधकर्ताओं ने चूहों के लिए एक चतुर खेल तैयार किया। प्यासे चूहों को "सीक्वेंस लिकिंग" (अनुक्रम चाटने) कार्य के लिए प्रशिक्षित किया गया था। कल्पना कीजिए कि सात पानी के फव्वारों की एक पंक्ति एक चाप (arc) में व्यवस्थित है। जब एक ध्वनि संकेत बजता है, तो चूहे को उन्हें क्रम से चाटना होता है, बाएं से दाएं (या दाएं से बाएं) बढ़ते हुए, और पूरे अनुक्रम को पूरा करने के बाद ही उसे पानी की एक बूंद मिलती है।

लेकिन यहाँ एक मोड़ है: कभी-कभी, खेल बदल जाता था। चूहे द्वारा बीच के फव्वारे को चाटने के बाद, फववारों की पूरी पंक्ति अचानक पीछे की ओर खिसक जाती थी। चूहा, जो आगे बढ़ने की उम्मीद कर रहा था, अपने लक्ष्य को चूक जाता। एक समझदार चूहा गलती को समझ जाता, अपनी आगे बढ़ने की गति को रोकता, और अनुक्रम को पूरा करने से पहले सही फव्वारे को चाटने के लिए जल्दी से "बैकट्रैक" करता। इसके लिए दुनिया में अचानक आए बदलाव के आधार पर अपने मोटर कमांड्स को तेजी से पुनर्गठित करने की आवश्यकता थी।

मस्तिष्क के निर्णय लेने की प्रक्रिया को सुनना

क्वाड बेस प्रोब्स द्वारा एक साथ 20 से अधिक मस्तिष्क क्षेत्रों से रिकॉर्डिंग करने के साथ, टीम वास्तविक समय में इस आश्चर्य के प्रति मस्तिष्क की प्रतिक्रिया को देख सकी। उन्होंने न्यूरल गतिविधि को डिकोड करने के लिए कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया, जो अनिवार्य रूप से न्यूरॉन्स की विद्युत स्पाइक्स को चूहे के कार्यों के पूर्वानुमान में अनुवादित करता है।

उन्होंने पाया कि मस्तिष्क इसमें अविश्वसनीय रूप से कुशल था। वे केवल न्यूरल गतिविधि को देखकर चूहे की जीभ की गतिविधियों और चाटने के समय की भविष्यवाणी कर सकते थे। लेकिन असली जादू तब हुआ जब उन्होंने देखा कि मस्तिष्क ने दिशा बदलने का निर्णय कब लिया।

डेटा का मिलीसेकंड दर मिलीसेकंड विश्लेषण करके, उन्होंने निर्णय लेने की एक स्पष्ट समयरेखा खोजी। जब चूहे को एहसास हुआ कि उसे पीछे की ओर जाना होगा, तो योजना बदलने का संकेत हर जगह एक साथ नहीं आया। इसके बजाय, यह सबसे पहले प्राइमरी मोटर कॉर्टेक्स (विशेष रूप से जीभ-जबड़ा क्षेत्र) में उभरा, उसके तुरंत बाद एंटीरोलेटरल मोटर कॉर्टेक्स में, और अंत में, बहुत बाद में, सुपीरियर कॉलिकुलस (मस्तिष्क की एक गहरी संरचना जो अक्सर रिफ्लेक्स से जुड़ी होती है) में।

यह निष्कर्ष बताता है कि इस विशिष्ट कार्य में, मस्तिष्क का "सोचने" वाला हिस्सा (कॉर्टेक्स) लचीले बदलाव का मुख्य चालक था, न कि रिफ्लेक्स केंद्र। यह वैसा ही है जैसे यह महसूस करना कि जब आपको किसी गेंद से बचना होता है, तो आपका मस्तिष्क का प्लानिंग सेंटर आपके रिफ्लेक्स के सक्रिय होने से पहले ही आपकी मांसपेशियों को आदेश भेज देता है।

छिपा हुआ नेटवर्क: अधिक चैनल क्यों मायने रखते हैं

इस अध्ययन का सबसे रोमांचक हिस्सा यह साबित करना था कि इतने अधिक चैनल क्यों महत्वपूर्ण हैं। शोधकर्ताओं ने एक "सिमुलेशन" बनाया यह देखने के लिए कि यदि उन्होंने पुराने, मानक प्रोब्स का उपयोग किया होता तो क्या होता। उन्होंने अपने विशाल 1,536-चैनल वाले डेटासेट को डिजिटल रूप से "पतला" किया ताकि पुराने उपकरणों की 384-चैनल की सीमा की नकल की जा सके।

जब उन्होंने ऐसा किया, तो उन्होंने पाया कि पुराने उपकरण कहानी का एक बड़ा हिस्सा मिस कर देते।

• फंक्शनल सबनेटवर्क्स (कार्यात्मक उप-नेटवर्क): नए टूल ने विभिन्न मस्तिष्क क्षेत्रों में न्यूरॉन्स के बीच हजारों कनेक्शन (जिन्हें "ग्रेंजर कॉशनल लिंक्स" कहा जाता है) को उजागर किया। जब उन्होंने पुराने टूल का सिमुलेशन किया, तो इनमें से कई कनेक्शन गायब हो गए। यह एक शहर के ट्रैफिक प्रवाह को केवल दो सड़कों को देखकर मैप करने जैसा है; आप यह मिस कर देंगे कि एक पुल दो पड़ोसों को जोड़ता है। क्वाड बेस ने दिखाया कि मस्तिष्क के कार्यात्मक उप-नेटवर्क हमारी सोच से कहीं अधिक बड़े और आपस में जुड़े हुए हैं।
• शेयर्ड लेटेंट डायनेमिक्स (साझा विलंबित गतिकी): टीम ने mDLAG नामक एक गणितीय विधि का उपयोग किया ताकि विभिन्न मस्तिष्क क्षेत्रों में "साझा लय" या सामान्य गतिविधि के पैटर्न को खोजा जा सके। उन्होंने पाया कि नया टूल पुराने की तुलना में बहुत अधिक साझा पैटर्न की पहचान कर सकता है। यह ऐसा है जैसे पुराना टूल केवल सोलिस्ट (एकल गायक) को सुन सकता था, जबकि नया टूल पूरे कोरस को सामंजस्य में गाते हुए सुन सकता था।

मस्तिष्क का "ग्लोबल मोड"

सबसे गहरा खुलासा तब हुआ जब उन्होंने "बैकट्रैकिंग" वाले परीक्षणों के दौरान क्या हुआ, इस पर गौर किया। उन्होंने पाया कि मस्तिष्क का संगठन नाटकीय रूप से बदल गया।

सामान्य परीक्षणों में, मस्तिष्क स्थानीय प्रसंस्करण (विशिष्ट कार्यों पर काम करने वाले न्यूरॉन्स के छोटे समूह) और कुछ वैश्विक समन्वय के मिश्रण के साथ काम करता है। लेकिन जब चूहे को तेजी से सुधार करने की आवश्यकता थी, तो मस्तिष्क ग्लोबल प्रोसेसिंग स्टेट में बदल गया।

• ग्लोबल लेटेंट्स (वैश्विक विलंब): ये गतिविधि के वे पैटर्न हैं जिनमें सभी रिकॉर्ड किए गए मस्तिष्क क्षेत्र एक साथ काम करते हैं। बैकट्रैकिंग के दौरान, इन ग्लोबल पैटर्न ने मस्तिष्क की गतिविधि के भिन्नता (variance) के 73% हिस्से की व्याख्या की, जबकि सामान्य परीक्षणों में यह केवल 60% थी।
• सब-नेटवर्क लेटेंट्स (उप-नेटवर्क विलंब): ये केवल कुछ क्षेत्रों से जुड़े पैटर्न हैं। सुधार के दौरान ये 31% से घटकर 22% हो गए।

यह सुझाव देता है कि जब मस्तिष्क किसी अचानक, जटिल चुनौती का सामना करता है, तो वह केवल एक स्थानीय सर्किट को नहीं बदलता है; बल्कि वह एक "होल-ब्रेन" (संपूर्ण-मस्तिष्क) मोड में स्विच हो जाता है। त्रुटि को संभालने के लिए पूरा नेटवर्क सिंक्रोनाइज़ हो जाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि सुधार तेज़ और समन्वित हो। क्वाड बेस प्रोब्स ही एकमात्र ऐसे उपकरण थे जो इस बदलाव को देख सके, क्योंकि समग्र पैटर्न में बदलाव को पहचानने के लिए इतने सारे क्षेत्रों से एक साथ रिकॉर्डिंग करना आवश्यक था।

यह क्यों मायने रखता है

यह पेपर केवल एक नए गैजेट का प्रदर्शन नहीं करता है; यह मौलिक रूप से बदल देता है कि हम मस्तिष्क का अध्ययन कैसे कर सकते हैं। यह सिद्ध करके कि उच्च-घनत्व वाली, मस्तिष्क-व्यापी रिकॉर्डिंग छिपे हुए नेटवर्क और वैश्विक अवस्थाओं को प्रकट करती है, शोधकर्ताओं ने सुझाव दिया है कि मस्तिष्क कार्य के बारे में हमारी पिछली समझ अधूरी हो सकती है क्योंकि हम एक समय में बहुत कम न्यूरॉन्स को देख रहे थे। न्यूरोपिक्सल्स 2.0 क्वाड बेस मस्तिष्क के लिए एक शक्तिशाली नया झरोखा प्रदान करता है, जिससे वैज्ञानिक यह देख सकते हैं कि कैसे अरबों न्यूरॉन्स पूरे मस्तिष्क में मिलकर लचीले, बुद्धिमान व्यवहार का निर्माण करते हैं। यह सुझाव देता है कि अपनी सोच को तुरंत बदलने और अनुकूलित होने की हमारी क्षमता का रहस्य मस्तिष्क की स्थानीय बातचीत से वैश्विक, सिंक्रोनाइज़्ड बातचीत में बदलने की क्षमता में निहित है।