Smells like γ-synchrony: Insula-prefrontal communication depends on γ-synchrony and supports modality-specific changes in behavioral strategies

अपने मस्तिष्क की कल्पना एक हलचल भरे, हाई-टेक शहर के रूप में करें जहाँ विभिन्न इलाके अलग-अलग कामों में विशेषज्ञता रखते हैं। कुछ जिले दुनिया के दृश्यों और ध्वनियों को संभालते हैं, जबकि अन्य बड़े निर्णय लेने और आपकी अगली चाल की योजना बनाने के प्रभारी होते हैं। आपके जीवित रहने और फलने-फूलने के लिए, इन इलाकों को एक-दूसरे से लगातार बात करने की आवश्यकता होती है। यदि शहर के ट्रैफिक सिग्नल बंद हो जाएं या फोन लाइन कट जाए, तो पूरा सिस्टम ट्रैफिक जाम में फंस सकता है, जिससे वह सड़क बदलने पर खुद को ढालने में असमर्थ हो जाता है। यह न्यूरोसाइंस की दुनिया है, विशेष रूप से "कॉग्निटिव फ्लेक्सिबिलिटी" (संज्ञानात्मक लचीलापन) का अध्ययन—जो मस्तिष्क की वह अद्भुत क्षमता है जिससे वह तब गियर बदल लेता है जब कोई योजना काम करना बंद कर देती है। इसे एक वीडियो गेम खेलने जैसा समझें जहाँ नियम अचानक बदल जाते हैं: पहले आप एक गड्ढे के ऊपर से कूद रहे थे, लेकिन अब आपको एक बीम के नीचे झुकना है। ऐसा करने के लिए, आपके मस्तिष्क को पुराने नियम को जल्दी से भूलना होगा और नए नियम को सीखना होगा। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि प्रीफ्रंटल कॉर्टेक्स नामक एक विशिष्ट इलाका इस निर्णय लेने वाले जिले का "मेयर" है, लेकिन वे निश्चित रूप से नहीं जानते थे कि वह उन त्वरित बदलावों को करने के लिए शहर के अन्य हिस्सों से जानकारी कैसे प्राप्त करता है।

यह शोध प्रीफ्रंटल कॉर्टेक्स और इंसुला (insula) नामक एक नजदीकी इलाके के बीच एक दिलचस्प बातचीत की गहराई में जाता है। शोधकर्ता जानना चाहते थे: ये दो क्षेत्र एक जानवर (इस मामले में, एक चूहे) को एक रणनीति से दूसरी रणनीति पर स्विच करने में मदद करने के लिए कैसे बातचीत करते हैं? उन्होंने पाया कि यह केवल संदेश भेजने के बारे में नहीं है; यह उस संदेश के समय (timing) के बारे में है। उन्होंने पाया कि जब चूहों को बनावट (जैसे रेत) का पीछा करने से बदलकर गंध (जैसे लहसुन) का पीछा करने की आवश्यकता थी, तो ये दो मस्तिष्क क्षेत्र बिल्कुल एक ही ताल में गुनगुनाने लगे, जैसे दो संगीतकार बिल्कुल एक ही नोट को बिल्कुल एक ही समय पर बजा रहे हों। यह "गामा सिंक्रोनी" (gamma synchrony) एक हाई-स्पीड, सिंक्रोनाइज्ड हैंडशेक की तरह काम करती है जो मस्तिष्क को अपने नियमों को अपडेट करने की अनुमति देती है। लेकिन यहाँ एक मोड़ है: यह पूर्ण सामंजस्य केवल गंध-आधारित नियमों में स्विच करने के दौरान होता है, न कि बनावट-आधारित नियमों में वापस स्विच करते समय। यह ऐसा है जैसे मस्तिष्क के पास एक प्रकार के स्विच के लिए एक विशेष, गुप्त हैंडशेक है, लेकिन दूसरे के लिए वह एक अलग, कम सिंक्रोनाइज्ड तरीके का उपयोग करता है।

सुगंधित स्विच की कहानी

मस्तिष्क इन मानसिक व्यायामों को कैसे अंजाम देता, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने चूहों के लिए एक चतुर खेल तैयार किया। कल्पना करें कि एक चूहा दो कटोरे के सामने खड़ा है। एक कटोरा रेत से भरा है और उसमें लहसुन की गंध है; दूसरा कचरे (litter) से भरा है और उसमें धनिया की गंध है। शुरू में, चूहा एक सरल नियम सीखता है: "स्वादिष्ट भोजन खोजने के लिए रेत वाले कटोरे में खुदाई करो।" एक बार जब चूहा इसमें महारत हासिल कर लेता है, तो खेल बदल जाता है। नियम पलट जाता है: "अब रेत में खुदाई नहीं! अब, लहसुन की खुशबू वाले कटोरे में खुदाई करो।" यह वह "स्विच" है। वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि भ्रम और पुन: सीखने के इस क्षण के दौरान चूहे के मस्तिष्क के भीतर क्या होता है।

उन्होंने दो मस्तिष्क जिलों को जोड़ने वाले एक विशिष्ट राजमार्ग पर ध्यान केंद्रित किया: मेडियल इंसुलर कॉर्टेक्स (mIC) और मेडियल प्रीफ्रंटल कॉर्टेक्स (mPFC)। mIC एक संवेदी केंद्र की तरह है जो गंध और स्वाद को प्रोसेस करता है, जबकि mPFC निर्णय लेने वाला है। टीम ने ऑप्टोजेनेटिक्स (optogenetics) नामक एक हाई-टेक टूल का उपयोग किया, जो मस्तिष्क की कोशिकाओं के लिए एक रिमोट कंट्रोल होने जैसा है। वे प्रकाश की एक चमक के साथ विशिष्ट न्यूरॉन्स को चालू या बंद कर सकते थे।

सबसे पहले, उन्होंने परीक्षण किया कि क्या होता है यदि इन दो क्षेत्रों के बीच का फोन लाइन काट दिया जाए। जब उन्होंने चूहों को बनावट से गंध की ओर स्विच करने की कोशिश के दौरान उस कनेक्शन को चुप कराने के लिए बिजली का झटका दिया, तो चूहे अटक गए। वे नया नियम नहीं समझ सके और गलत कटोरे में खुदाई करते रहे। हालाँकि, जब चूहे गंध से वापस बनावट की ओर स्विच करने की कोशिश कर रहे थे, या जब वे शून्य से एक नया गंध नियम सीख रहे थे, तो उस कनेक्शन को चुप कराने से उन्हें कोई फर्क नहीं पड़ा। पता चला कि यह विशिष्ट मस्तिष्क राजमार्ग केवल तभी महत्वपूर्ण जीवन रेखा है जब आपको गंध-आधारित रणनीति की ओर स्विच करने की आवश्यकता होती है।

लेकिन यह कनेक्शन केवल गंध के लिए ही क्यों मायने रखता है? यह जानने के लिए, शोधकर्ताओं ने दोनों मस्तिष्क क्षेत्रों के बीच की बातचीत को सुना। उन्होंने पीवी इंटरन्यूरॉन्स (PV interneurons) नामक विशिष्ट कोशिकाओं की विद्युत बातचीत को सुनने के लिए जेनेटिकली एनकोडेड वोल्टेज इंडिकेटर (GEVI) नामक एक सुपर-सेंसिटिव माइक्रोफ़ोन का उपयोग किया। ये कोशिकाएं एक ऑर्केस्ट्रा के कंडक्टर की तरह कार्य करती हैं, जो लय बनाए रखती हैं।

उन्होंने पाया कि जब चूहे बनावट से गंध की ओर सफलतापूर्वक स्विच कर रहे थे, तो इंसुला और प्रीफ्रंटल कॉर्टेक्स के न्यूरॉन्स बिल्कुल एक ही ताल में फायर (firing) करने लगे। यह एक "गामा" रिदम था, एक तेज़ बीट जो प्रति सेकंड लगभग 40 बार होती है। कल्पना करें कि दो अलग-अलग कमरों में ड्रमर हैं; जब वे पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ होते हैं, तो वे बिल्कुल एक ही मिलीसेकंड में अपने ड्रम बजाते हैं। यह "इन-फेज़" (in-phase) सिंक्रोनाइज़ेशन केवल तभी हुआ जब चूहे गंध के नियम की ओर स्विच करने का सही निर्णय ले रहे थे। जब चूहों ने गलती की, या जब वे गंध से बनावट की ओर स्विच कर रहे थे, तो यह पूर्ण सामंजस्य गायब हो गया, और इसकी जगह एक अराजक या यहाँ तक कि विपरीत लय ने ले ली (जैसे एक ड्रमर ड्रम बजा रहा है जबकि दूसरा अपनी स्टिक ऊपर उठा रहा है)।

इस बात को साबित करने के लिए कि यह सटीक समय वास्तव में स्विच को काम करने में मदद कर रहा था, शोधकर्ताओं ने एक चाल चली। उन्होंने दोनों क्षेत्रों के न्यूरॉन्स को फायर करने के लिए मजबूर करने के लिए प्रकाश का उपयोग किया, लेकिन उन्होंने इसके 'टाइमिंग' के साथ छेड़छाड़ की। कुछ दिनों में, उन्होंने न्यूरॉन्स को पूर्ण ताल (in-phase) में फायर कराया। अन्य दिनों में, उन्होंने उन्हें ताल से बाहर (out-of-phase) फायर कराया, जैसे कि एक ड्रमर अपनी स्टिक को ठीक एक सेकंड की देरी से बजाता है।

परिणाम स्पष्ट था: जब न्यूरॉन्स को ताल से बाहर फायर करने के लिए मजबूर किया गया, तो चूहे बनावट से गंध की ओर स्विच करना नहीं सीख पाए। वे अनुकूलित नहीं हो सके। लेकिन जब न्यूरॉन्स को ताल में फायर करने के लिए मजबूर किया गया, या जब चूहे गंध से बनावट की ओर स्विच कर रहे थे, तो सब कुछ ठीक रहा। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क को केवल दो क्षेत्रों के बीच बातचीत की आवश्यकता नहीं है; उसे कुछ विशिष्ट, लयबद्ध तरीके से बातचीत करने की आवश्यकता है ताकि वह परिवर्तनों को संभाल सके।

मुख्य निष्कर्ष

तो, इस सबका क्या अर्थ है? मस्तिष्क एक स्थिर मशीन नहीं है; यह एक गतिशील नेटवर्क है जो कार्य के आधार पर अपनी संचार शैली बदलता है। प्रीफ्रंटल कॉर्टेक्स और इंसुला अच्छे दोस्त हैं, लेकिन उनके पास सहयोग करने के अलग-अलग तरीके हैं। जब चूहे को गंध-आधारित रणनीति की ओर स्विच करने की आवश्यकता होती है, तो वे हाथ थामते हैं और बिल्कुल एक ही कदम में चलते हैं। यह "गामा सिंक्रोनी" वह गुप्त सूत्र है जो मस्तिष्क को अपने नियमों को अपडेट करने और लचीला रहने की अनुमति देता है। इसके बिना, मस्तिष्क पुराने तरीके में ही फंसा रह जाता है।

यह शोध लचीलेपन के तंत्र की एक झलक देता है। यह हमें दिखाता है कि हमारी अनुकूलन क्षमता केवल सही जानकारी होने के बारे में नहीं है; यह इस बारे में है कि हमारे मस्तिष्क के विभिन्न हिस्से उस जानकारी को प्रोसेस करने के लिए कैसे समन्वय करते हैं। ठीक वैसे ही जैसे एक अच्छी तरह से प्रशिक्षित बैंड को हिट गाना बजाने के लिए समय के साथ तालमेल बिठाने की आवश्यकता होती है, हमारे मस्तिष्क को नई समस्याओं को हल करने के लिए विशिष्ट लय की आवश्यकता होती है। और हालांकि इस अध्ययन ने चूहों और गंध पर ध्यान केंद्रित किया, यह संकेत देता है कि वही सिद्धांत तब भी लागू हो सकते हैं जब हम इंसान कोई नया कौशल सीखने, किसी आदत को बदलने या अपने जीवन में अचानक आए बदलाव के अनुकूल होने की कोशिश करते हैं। मस्तिष्क हमेशा अपने वाद्ययंत्रों को ट्यून करता रहता है, और कभी-कभी, सबसे महत्वपूर्ण बात बस सभी को एक ही सुर में लाना होता है।