SPOUT: An open-source hardware and software platform to study decision making while manipulating and recording from neural activity
यह शोध पत्र SPOUT को प्रस्तुत करता है, जो एक ओपन-सोर्स, किफायती हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर प्लेटफॉर्म है जो हेड-रेस्ट्रेन (head-restrained) चूहों में व्यवहार के तंत्रिका संबंधी तंत्रों का अध्ययन करने के लिए सटीक न्यूरल रिकॉर्डिंग और ऑप्टोजेनेटिक हेरफेर को लचीले निर्णय लेने वाले कार्यों के साथ एकीकृत करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
एक चूहा यह कैसे तय करता है कि उसे बाईं ओर मुड़ना है या दाईं ओर, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों को केवल जानवर को देखने से कहीं अधिक करने की आवश्यकता है। उन्हें सटीक क्षण में मस्तिष्क की विद्युत गतिविधि को देखने की आवश्यकता है जब कोई निर्णय लिया जाता है, और उन्हें उस गतिविधि को धीरे से प्रेरित करने में सक्षम होना चाहिए ताकि देखा जा सके कि क्या होता है। इसके लिए एक नाजुक संतुलन की आवश्यकता है: जानवर उच्च-शक्ति वाले सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) द्वारा व्यक्तिगत मस्तिष्क कोशिकाओं को देखने के लिए पर्याप्त स्थिर होना चाहिए, फिर भी कार्य करने के लिए अपने सिर और जीभ को हिलाने के लिए पर्याप्त स्वतंत्र होना चाहिए। दशकों तक, शोधकर्ता एक ऐसा सिस्टम बनाने के संघर्ष में रहे जो मस्तिष्क को रिकॉर्ड कर सके, व्यवहार को नियंत्रित कर सके और मस्तिष्क में सटीक प्रकाश संकेत भेज सके, और वह भी पूर्ण समयबद्धता (परफेक्ट टाइमिंग) बनाए रखते हुए। यदि व्यवहार को मापने वाली घड़ी, मस्तिष्क को रिकॉर्ड करने वाली घड़ी से थोड़ा भी भटक जाती है, तो क्रिया और विचार के बीच के संबंध को समझना असंभव हो जाता है।
हार्वर्ड मेडिकल स्कूल की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने के लिए एक नया उपकरण बनाया है, जिससे SPOUT नामक एक पूर्ण, ओपन-सोर्स सिस्टम तैयार हुआ है। नाम का अर्थ है 'स्टेट-मशीन प्लेटफॉर्म फॉर ऑपरेंट यूनि/डुअल-स्पआउट टास्क' (State-machine Platform for Operant Uni/dual-spout Tasks), लेकिन व्यवहार में, यह एक बहुमुखी मशीन है जो चूहों को निर्णय लेने वाली पहेलियाँ सुलझाने की अनुमति देती है जबकि वैज्ञानिक वास्तविक समय में उनके मस्तिष्क को देखते हैं। यह सिस्टम किफायती और उपयोग में आसान बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो महंगे, कस्टम-निर्मित सेटअपों के स्थान पर मानक भागों का एक संग्रह प्रदान करता है जिसे कोई भी लैब असेंबल कर सकती है। इसके केंद्र में एक छोटा कंप्यूटर चिप है जो एक कंडक्टर की तरह कार्य करता है, जो पानी के पुरस्कार देने, जीभ की गतिविधियों को रिकॉर्ड करने और मस्तिष्क में प्रकाश की किरणों को भेजने का समन्वय करता है, और वह भी एक ऐसी सटीकता के साथ जिसे दस लाखवें सेकंड में मापा जाता है।
शोधकर्ताओं ने इस सिस्टम का परीक्षण चूहों को एक सरल खेल सिखाकर किया। चूहा अपना सिर स्थिर रखकर दो छोटी नलियों के सामने बैठता है। एक ध्वनि बजती है, और चूहे को पानी की एक बूंद पाने के लिए या तो बाईं नली या दाईं नली को चाटने का चुनाव करना होता है। पेच यह है कि ध्वनि चूहे को यह नहीं बताती कि सही नली कौन सी है; इसके बजाय, सही नली बिना किसी चेतावनी के हर कुछ प्रयासों के बाद बदल जाती है। चूहे को यह पैटर्न समझना होता है कि किस चुनाव से पुरस्कार मिला और किससे कुछ नहीं मिला। SPOUT का उपयोग करते हुए, टीम ने कई दिनों तक चूहों को यह खेल सीखते हुए देखा। शुरुआत में, चूहे बेतरतीब ढंग से अनुमान लगाते थे, लेकिन जैसे-जैसे उन्हें अनुभव हुआ, उन्होंने गलती के तुरंत बाद अपना चुनाव बदलने और जीतने वाली दिशा पर टिके रहने का तरीका सीख लिया। सिस्टम ने हर एक चाट (lick) को इतनी सटीकता से रिकॉर्ड किया कि शोधकर्ता देख सके कि चूहे का व्यवहार भ्रम से आत्मविश्वास में कब बदला।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह सिस्टम मस्तिष्क को नियंत्रित भी कर सकता है, वैज्ञानिकों ने ऑप्टोजेनेटिक्स (optogenetics) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो उन्हें प्रकाश के माध्यम से विशिष्ट मस्तिष्क कोशिकाओं को चालू या बंद करने की अनुमति देता है। उन्होंने मस्तिष्क के एक क्षेत्र पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'एंटीरियर लेटरल मोटर कॉर्टेक्स' (anterior lateral motor cortex) कहा जाता है, जो गतिविधियों की योजना बनाने में शामिल एक क्षेत्र है। जब उन्होंने निर्णय लेने से ठीक पहले मस्तिष्क के इस हिस्से में एक नीली रोशनी डाली, तो चूहे का व्यवहार तुरंत बदल गया। यदि प्रकाश मस्तिष्क के उस हिस्से पर पड़ा जो शरीर के दाहिने हिस्से को नियंत्रित करता है, तो चूहे ने अचानक दाईं नली को चाटना बंद कर दिया और इसके बजाय बाईं नली को चाटना शुरू कर दिया। यह केवल तभी हुआ जब प्रकाश चालू था, और प्रभाव तुरंत गायब हो गया जैसे ही प्रकाश बंद हुआ, जिससे पता चला कि सिस्टम मस्तिष्क की योजना बनाने की प्रक्रिया को सटीक रूप से बाधित कर सकता है और जानवर के निर्णय को टूटते हुए देख सकता है।
शोधकर्ताओं ने इस सेटअप को मस्तिष्क की कोशिकाओं की तस्वीरें लेने के लिए एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के साथ भी जोड़ा। क्योंकि यह सिस्टम सटीक समय बनाए रखता है, वे चूहे के नली चाटने के सटीक क्षण को मस्तिष्क में हजारों न्यूरॉन्स की गतिविधि के साथ मिला सके। उन्होंने पाया कि जब चूहा उत्तेजित मस्तिष्क क्षेत्र के विपरीत दिशा में चाटने का चुनाव करता है, तो मस्तिष्क कोशिकाएं उसी दिशा में चुनने की तुलना में बहुत अधिक मजबूती से सक्रिय होती हैं। इसने पुष्टि की कि ये विशिष्ट मस्तिष्क कोशिकाएं अधिक सक्रिय होती हैं जब जानवर एक विशेष दिशा में जाने की तैयारी करता है। व्यवहार, प्रकाश उत्तेजना और मस्तिष्क इमेजिंग को इतनी सटीकता के साथ सिंक्रनाइज़ करने की क्षमता ने टीम को इन पैटर्नों को स्पष्ट रूप से देखने की अनुमति दी, जो पुराने, कम सिंक्रनाइज़ उपकरणों के साथ असंभव होता।
इस कार्य को जो बात विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाती है, वह केवल चूहे के मस्तिष्क के बारे में खोज नहीं है, बल्कि स्वयं वह उपकरण है। शोधकर्ताओं ने SPOUT बनाने के सभी ब्लूप्रिंट, कोड और निर्देश जनता के लिए मुफ्त में उपलब्ध करा दिए हैं। उन्होंने दिखाया है कि एक जटिल, उच्च-सटीक तंत्रिका विज्ञान (neuroscience) प्रयोग के लिए हजारों डॉलर की लागत या इंजीनियरों की टीम की आवश्यकता नहीं है। एक मानक माइक्रोकंट्रोलर और बाजार में उपलब्ध सामान्य भागों का उपयोग करके, उन्होंने एक ऐसा प्लेटफॉर्म बनाया है जो टूटने के बिना हजारों सत्रों तक चलने के लिए पर्याप्त मजबूत है। यह सिस्टम लचीला है, जिससे वैज्ञानिक खेल के नियमों या मस्तिष्क रिकॉर्डिंग के प्रकार को मूल सॉफ़्टवेयर को दोबारा लिखे बिना बदल सकते हैं। यह खुलापन प्रयोगशालाओं को दुनिया भर में समान स्तर की सटीकता के साथ वही प्रयोग करने की अनुमति देता है, जिससे परिणामों की तुलना करना और यह समझने के लिए एक साझा समझ बनाना आसान हो जाता है कि मस्तिष्क निर्णय कैसे लेता है।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि SPOUT मस्तिष्क की गतिविधि और व्यवहार के बीच के संबंध का अध्ययन करने का एक विश्वसनीय और सुलभ तरीका है। इसने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि चूहे पिछले पुरस्कारों के आधार पर जटिल नियम सीख सकते हैं, विशिष्ट मस्तिष्क क्षेत्रों को अस्थायी रूप से शांत किया जा सकता है ताकि निर्णयों को बदला जा सके, और परिणामी तंत्रिका गतिविधि को उच्च सटीकता के साथ रिकॉर्ड किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने यह दावा नहीं किया है कि उन्होंने निर्णय लेने के रहस्य को सुलझा लिया है, बल्कि उन्होंने सवाल पूछने का एक स्पष्ट, पुनरुत्पादक (reproducible) तरीका प्रदान किया है। तकनीकी बाधाओं को हटाकर, जिन्होंने कई प्रयोगशालाओं को इस तरह का काम करने से रोका था, इस टीम ने वैज्ञानिकों के एक व्यापक समुदाय के लिए यह पता लगाने का द्वार खोल दिया है कि मस्तिष्क क्रियाओं का मार्गदर्शन कैसे करता है, एक सटीक चाट (lick) के माध्यम से।
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