Ancient Somatosensory Circuit Architectures Employ Flexible Molecular Strategies

रीढ़ की हड्डी वाले प्रत्येक जानवर, सबसे छोटी मछली से लेकर सबसे बड़ी व्हेल तक, दुनिया को महसूस करने के लिए एक तंत्रिका तंत्र (nervous system) पर निर्भर करते हैं। इस प्रणाली को एक कोमल स्पर्श, एक तीखे दर्द और अंतरिक्ष में एक अंग की स्थिति के बीच अंतर करना चाहिए। स्तनधारियों में, यह काम डॉर्सल रूट गैंग्लिया (dorsal root ganglia) नामक समूहों में पैक किए गए विशेष तंत्रिका कोशिकाओं की एक विशाल श्रृंखला द्वारा संभाला जाता है। ये कोशिकाएं द्वारपाल के रूप में कार्य करती हैं, जो त्वचा और मांसपेशियों से संकेतों को स्पाइनल कॉर्ड (मेरुदंड) तक भेजती हैं, जहाँ वे उस जानकारी को संसाधित करने के लिए विशिष्ट न्यूरॉन्स की परतों से जुड़ती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक आश्चर्य करते रहे हैं कि ये जटिल सर्किट कैसे बनते हैं। क्या सभी कशेरुकी (vertebrates) एक ही आणविक ब्लूप्रिंट का उपयोग करते हैं यह तय करने के लिए कि कौन सी तंत्रिका कोशिका एक दर्द सेंसर बनेगी और कौन सी स्पर्श सेंसर, या विभिन्न जीव शाखाओं ने एक ही समस्या को हल करने के लिए अपने स्वयं के अद्वितीय निर्देश विकसित किए?

इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसे जीव की ओर रुख किया जो कशेरुकी परिवार की एक प्राचीन शाखा का प्रतिनिधित्व करता है: लिटिल स्केट (little skate)। यह चपटा, उपास्थि वाला (cartilaginous) मछली एक शार्क और रे (ray) का दूर का संबंधी है, जो सैकड़ों मिलियन वर्षों पहले उस वंश से अलग हुआ था जिसने मनुष्यों की ओर मार्ग प्रशस्त किया। स्तनधारियों के विपरीत, स्केट का तंत्रिका तंत्र अपेक्षाकृत सरल होता है जिसमें भूमि पर रहने वाले जानवरों में पाए जाने वाले कई विशेष तंत्रिका तंतुओं का अभाव होता है। लिटिल स्केट का अध्ययन करके, वैज्ञानिक पीछे जाकर देख सकते हैं कि मूल कशेरुकी तंत्रिका तंत्र कैसा दिखता था, इससे पहले कि यह मनुष्यों और अन्य स्थलीय जीवों में देखी जाने वाली जटिल मशीनरी में विकसित हुआ। मुख्य प्रश्न यह था कि क्या इन सर्किट्स की भौतिक संरचना सभी कशेरुकियों की एक गहरी, अपरिवर्तित विशेषता है, या क्या उन्हें बनाने वाले आणविक निर्देश समय के साथ नाटकीय रूप से बदल गए हैं।

NYU ग्रॉसमैन स्कूल ऑफ मेडिसिन और सहयोगी संस्थानों के वैज्ञानिकों की एक टीम ने अभूतपूर्व विवरण के साथ लिटिल स्केट के तंत्रिका तंत्र का मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने दो प्रमुख क्षेत्रों पर ध्यान केंद्रित किया: डॉर्सल रूट गैंग्लिया, जहाँ संवेदी तंत्रिका कोशिकाएं रहती हैं, और डॉर्सल स्पाइनल कॉर्ड, जहाँ वे अपने संकेत भेजती हैं। उन्नत तकनीकों का उपयोग करते हुए, जो शोधकर्ताओं को एक साथ हजारों व्यक्तिगत कोशिकाओं की आनुवंशिक गतिविधि को पढ़ने की अनुमति देती हैं, उन्होंने स्केट के संवेदी तंत्र का एक आणविक मानचित्र तैयार किया। उन्होंने ऊतक के भीतर इन जीनों को कहाँ सक्रिय किया जाता है, यह देखने के लिए एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग पद्धति का भी उपयोग किया, जिससे कोशिकाओं की भौतिक व्यवस्था का पता चला।

शोधकर्ताओं ने पाया कि स्केट के तंत्रिका तंत्र की भौतिक वास्तुकला स्तनधारियों के समान उल्लेखनीय रूप से समान है। मनुष्यों की तरह, स्केट में संवेदी तंत्रिका कोशिकाएं अपने लंबे तारों, या एक्सोन (axons), को स्पाइनल कॉर्ड की ऊपरी परतों में भेजती हैं। वहाँ, ये तार विशिष्ट, संगठित परतों पर रुक जाते हैं। दर्द और स्पर्श का पता लगाने वाली कोशिकाएं ऊपरी परतों में स्थित होती हैं, जबकि गहरे दबाव को महसूस करने वाली कोशिकाएं थोड़ा नीचे उतर जाती हैं। यह स्तरित संगठन, जो विभिन्न प्रकार के संवेदनाओं को संसाधित करने के लिए महत्वपूर्ण है, एक प्राचीन विशेषता प्रतीत होती है जिसे सैकड़ों मिलियन वर्षों से संरक्षित किया गया है। स्केट का स्पाइनल कॉर्ड एक स्थिर मचान (scaffold) की तरह बना होता है, जिसमें विभिन्न प्रकार के इनपुट के लिए समर्पित विशिष्ट क्षेत्र होते हैं, जो स्थलीय जीवों में पाए जाने वाले लेआउट की नकल करता है।

हालाँकि, जब वैज्ञानिकों ने उन आनुवंशिक निर्देशों को देखा जो इन तंत्रिका कोशिकाओं को यह बताते हैं कि वे क्या बनें, तो कहानी पूरी तरह बदल गई। स्तनधारियों में, विशिष्ट जीन एक कोड के रूप में कार्य करते हैं जो एक तंत्रिका कोशिका की पहचान निर्धारित करते हैं। उदाहरण के लिए, ntrk1 नामक एक जीन दर्द महसूस करने वाली कोशिकाओं का प्राथमिक मार्कर है, जबकि ntrk2 स्पर्श महसूस करने वाली कोशिकाओं को चिह्नित करता है, और ntrk3 उन कोशिकाओं को चिह्नित करता है जो मांसपेशियों की स्थिति को महसूस करती हैं। शोधकर्ताओं को उम्मीद थी कि स्केट में भी एक समान कोड मिलेगा। इसके बजाय, उन्होंने एक पूरी तरह से अलग प्रणाली की खोज की। स्केट इन पहचानों को अनलॉक करने के लिए उन्हीं आनुवंशिक कुंजियों का उपयोग नहीं करता है।

स्केट में, दर्द और स्पर्श को चिह्नित करने वाले जीन इस तरह से आपस में मिले हुए हैं जो एक स्तनधारी में असंभव होगा। एक एकल तंत्रिका कोशिका स्केट में दर्द और स्पर्श दोनों के आनुवंशिक मार्कर एक साथ ले जा सकती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्केट की कई तंत्रिका कोशिकाएं उन जीनों का संयोजन व्यक्त करती हैं जिन्हें स्तनधारी सख्ती से अलग रखते हैं। उदाहरण के लिए, कोशिकाएं जो मांसपेशियों की स्थिति को महसूस करने वाले जीन को व्यक्त करती हैं, उनमें दर्द के आनुवंशिक मार्कर भी होते हैं। यह सुझाव देता है कि जबकि सिस्टम की भौतिक वायरिंग स्थिर रही है, कोशिकाओं के भीतर चलने वाला आणविक सॉफ्टवेयर पूरी तरह से फिर से लिखा गया है। स्केट अपने संवेदी तंत्र को बनाने के लिए एक लचीले, ओवरलैपिंग सेट निर्देशों का उपयोग करता है, जबकि स्तनधारी एक कठोर, अनन्य (exclusive) कोड का उपयोग करते हैं।

यह समझने के लिए कि ये कोशिकाएं कैसे विकसित होती हैं, वैज्ञानिकों ने एक सूक्ष्म प्रयोग किया। उन्होंने स्केट के भ्रूणों के एक हिस्से से विकसित होते पंखों (fins) को तब हटा दिया जब वे अभी बढ़ रहे थे। स्थलीय जीवों में, अंग को हटाने से वे तंत्रिका कोशिकाएं मर जाती हैं या परिपक्व होने में विफल रहती हैं जो उससे जुड़ने वाली होती थीं। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या स्केट अपनी तंत्रिका कोशिकाओं को यह बताने के लिए कि उन्हें क्या बनना है, पंखों से संकेतों पर निर्भर करता है। उन्होंने पाया कि तंत्रिका कोशिकाएं तुरंत नहीं मरीं, लेकिन वे अपनी पहचान को परिष्कृत करने में विफल रहीं। पंख के बिना, तंत्रिका कोशिकाएं अपनी अंतिम, विशिष्ट भूमिकाओं में बसने में असमर्थ रहीं। वे एक भ्रमित अवस्था में बनी रहीं, जो सामान्य स्केट में देखे गए विशिष्ट पैटर्न के बजाय जीनों के एक उलझे हुए मिश्रण को व्यक्त कर रही थीं।

इस प्रयोग ने खुलासा किया कि भले ही आनुवंशिक कोड अलग हो, लेकिन लक्ष्य की आवश्यकता वही है। विकसित होता पंख तंत्रिका कोशिकाओं को संकेत भेजता है, जिससे उन्हें अपनी पहचान को अंतिम रूप देने और ठीक से जुड़ने के लिए कहा जाता है। स्केट में, यह संकेत मिश्रित आनुवंशिक निर्देशों को एक कार्यात्मक प्रणाली में व्यवस्थित करने के लिए आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि एक विशिष्ट रासायनिक मार्ग, जिसमें SMAD नामक अणु शामिल है, इन संकेतों के लिए एक प्रारंभिक सेंसर के रूप में कार्य करता है। यह मार्ग स्केट और चिकन दोनों में सक्रिय है, जो यह सुझाव देता है कि शरीर के परिधि (periphery) को सुनने का तंत्र एक प्राचीन, साझा विशेषता है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि कशेरुकी तंत्रिका तंत्र एक विरोधाभास पर निर्मित है। सर्किट की भौतिक संरचना—स्पाइनल कॉर्ड की परतें और जिस तरह से तंत्रिकाएं उनसे जुड़ती हैं—एक गहरी संरक्षित, अपरिवर्तित नींव है। फिर भी, व्यक्तिगत तंत्रिका कोशिकाओं को बनाने वाले आणविक कार्यक्रम अत्यधिक लचीले हैं और विभिन्न दिशाओं में विकसित हुए हैं। लिटिल स्केट यह दर्शाता है कि प्रकृति एक स्थिर, कार्यात्मक वास्तुकला को बनाए रखते हुए उसे बनाने वाले आनुवंशिक नियमों को पूरी तरह से फिर से लिख सकती है। यह लचीलापन कशेरुकियों को पूरे वायरिंग डायग्राम को फिर से बनाए बिना, समुद्र की गहराइयों से लेकर भूमि तक, अपने संवेदी तंत्रों को नए वातावरण के अनुकूल बनाने की अनुमति दे सकता है। लिटिल स्केट, अपने प्राचीन शरीर योजना और अद्वितीय आनुवंशिक कोड के साथ, यह स्पष्ट दृश्य प्रस्तुत करता है कि कैसे विकास आवश्यक को सुरक्षित रखता है और विवरणों का पुनरुद्धार करता है।