From Genes to Brains: Molecular Evolution and Mammalian Brain Cellular Diversity
यह अध्ययन 18 स्तनधारी प्रजातियों के प्रोटीन-अनुक्रम विकास डेटा को 29 मस्तिष्क और शारीरिक लक्षणों के साथ एकीकृत करता है ताकि उन विशिष्ट जीनों की पहचान की जा सके जिनके विकासवादी दर स्तनधारी मस्तिष्क की कोशिकीय विविधता और संगठन में मात्रात्मक विविधताओं के साथ सह-संबंध रखते हैं।
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स्तनधारी मस्तिष्क जैविक इंजीनियरिंग का एक चमत्कार है, फिर भी यह किसी एक ब्लूप्रिंट पर नहीं बना है। जबकि एक चूहे का मस्तिष्क और एक हाथी का मस्तिष्क समान बुनियादी अंगों को साझा करते हैं, वे आकार, उनमें मौजूद कोशिकाओं की संख्या और उन कोशिकाओं की व्यवस्था में एक-दूसरे से बहुत भिन्न होते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि केवल मस्तिष्क के द्रव्यमान (mass) से पूरी कहानी स्पष्ट नहीं होती; दो जानवरों के मस्तिष्क का वजन समान होने पर भी उनमें न्यूरॉन्स की संख्या और उन कोशिकाओं का घनत्व बहुत अलग हो सकता है। यह भिन्नता बताती है कि मस्तिष्क का विकास केवल बड़ा या छोटा होने का मामला नहीं है, बल्कि कोशिकीय संरचना को पुनर्गठित करने की एक जटिल प्रक्रिया है। यह समझने के लिए कि यह कैसे होता है, शोधकर्ताओं को मस्तिष्क के भौतिक आकार से परे जाकर उस आणविक निर्देशों को देखना होगा जो इसे बनाते हैं। इस क्षेत्र को चलाने वाला प्रश्न यह है कि क्या आनुवंशिक कोड में होने वाले सूक्ष्म परिवर्तन—वे प्रोटीन जिनका उपयोग कोशिकाएं कार्य करने के लिए करती हैं—विभिन्न प्रजातियों में देखे गए मस्तिष्क की संरचना में होने वाले परिवर्तनों के साथ तालमेल बिठाते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अठारह विभिन्न स्तनधारी प्रजातियों में जीन के इतिहास को मस्तिष्क के आकार के इतिहास से जोड़कर इसका उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने डेटा का एक विशाल संग्रह एकत्र किया, जिसमें मस्तिष्क की संरचनाओं के माप (जैसे कि कॉर्टेक्स या सेरिबेलम में न्यूरॉन्स की संख्या) को उन समान जानवरों में पाए जाने वाले प्रोटीन के आनुवंशिक अनुक्रमों के साथ जोड़ा गया। चूंकि प्रजातियां पारिवारिक वृक्षों (family trees) द्वारा संबंधित होती हैं, इसलिए उनके लक्षणों का एक साधारण तुलना भ्रामक हो सकती है; एक समानता केवल इसलिए मौजूद हो सकती है क्योंकि दो जानवरों का एक हालिया पूर्वज साझा है, न कि इसलिए कि किसी विशिष्ट जीन ने किसी विशिष्ट मस्तिष्क विशेषता को जन्म दिया है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक ऐसी विधि का उपयोग किया जो इस साझा पारिवारिक इतिहास को ध्यान में रखती है, जिससे यह देखा जा सके कि एक जीन के बदलने की गति और मस्तिष्क के लक्षण के बदलने की गति के बीच तालमेल था या नहीं। उन्होंने उन बीस-नौ विभिन्न मस्तिष्क और शरीर के मापों पर ध्यान केंद्रित किया, लेकिन उन्हें एहसास हुआ कि इनमें से कई इतने निकटता से जुड़े हुए थे कि वे अनिवार्य रूप से एक ही जानकारी को दोहरा रहे थे। एक स्पष्ट तस्वीर प्राप्त करने के लिए, उन्होंने इन बीस-नौ लक्षणों को पांच प्रतिनिधि विशेषताओं में संक्षिप्त कर दिया जो मस्तिष्क संगठन की अधिकांश भिन्नता को दर्शाते थे, जिनमें कॉर्टेक्स में कुल न्यूरॉन्स की संख्या, कॉर्टेक्स का मस्तिष्क द्रव्यमान का प्रतिशत और सेरिबेलम में न्यूरॉन्स का अनुपात शामिल था।
इसके बाद शोधकर्ताओं ने अठारह प्रजातियों में दस हजार से अधिक जीनों के आनुवंशिक कोड का विश्लेषण किया ताकि यह देखा जा सके कि इन जीनों के विकास की दर उन पांच मस्तिष्क लक्षणों से जुड़ी है या नहीं। उन्होंने एक विशिष्ट पैटर्न पाया: विशिष्ट जीनों ने दिखाया कि उनके विकास संबंधी परिवर्तन विशिष्ट मस्तिष्क विशेषताओं के साथ तालमेल बिठाते हैं। कुल मिलाकर, उन्होंने जीनों और मस्तिष्क के लक्षणों के बीच पच्चीस महत्वपूर्ण संबंध पहचाने, जिनमें तेईस अद्वितीय जीन शामिल थे। ये संबंध यादृच्छिक (random) नहीं थे; वे लगातार तब भी दिखाई दिए जब शोधकर्ताओं ने कच्चे मस्तिष्क मापों का विश्लेषण किया या आनुपातिक परिवर्तनों को ध्यान में रखते हुए आंकड़ों को समायोजित किया। उन्नीस जीन दोनों विश्लेषणों में दिखाई दिए, जो उनके आणविक विकास और स्तनधारी मस्तिष्क के विविधीकरण के बीच एक मजबूत संबंध का सुझाव देते हैं। मस्तिष्क में परिवर्तनों से सबसे अधिक जुड़े हुए जीन वे थे जो सेरिबेलम में न्यूरॉन्स के प्रतिशत और सेरेब्रल कॉर्टेक्स के द्रव्यमान से संबंधित थे, जो यह संकेत देता है कि मस्तिष्क की विविधता के आणविक चालक समग्र आकार को नियंत्रित करने वाले किसी एक कारक के बजाय मस्तिष्क के कुछ विशिष्ट हिस्सों के प्रति विशिष्ट हैं।
इन जीनों का जीवित मस्तिष्क में वास्तव में क्या कार्य है, इसे समझने के लिए टीम ने मानव मस्तिष्क में उनकी अभिव्यक्ति (expression) का अध्ययन किया। उन्होंने मानव मस्तिष्क के कई क्षेत्रों में इन जीनों की सक्रियता में एक आश्चर्यजनक विविधता पाई। कुछ जीन वयस्क मानव मस्तिष्क के कई क्षेत्रों में व्यापक रूप से सक्रिय थे, जबकि कुछ वयस्क मस्तिष्क में लगभग निष्क्रिय थे, या केवल विशिष्ट क्षेत्रों में सक्रियता दिखाते थे। यह खोज इस विचार को चुनौती देती है कि मस्तिष्क के विकास को चलाने वाले जीनों को महत्वपूर्ण होने के लिए वयस्क मस्तिष्क में अत्यधिक सक्रिय होना चाहिए। इसके बजाय, यह सुझाव देता है कि इन जीनों में विकास संबंधी परिवर्तन मस्तिष्क के निर्माण (development) के दौरान कैसे होता है, या विशिष्ट कोशिका प्रकारों में यह कैसे कार्य करता है, इससे संबंधित हो सकते हैं, न कि केवल इसकी अंतिम वयस्क अवस्था से। अध्ययन ने यह भी प्रकट किया कि जिन जीनों का वे अध्ययन करने में सक्षम थे, वे सभी मानव जीनों का यादृच्छिक नमूना नहीं थे। चूंकि उन्हें अठारह सभी प्रजातियों में जीन का सटीक मिलान चाहिए था, इसलिए अंतिम सूची चयापचय (metabolism) और कोशिका संरचना जैसी बुनियादी कोशिकीय प्रक्रियाओं में शामिल जीनों के लिए समृद्ध थी, जबकि गंध या प्रतिरक्षा प्रणाली से संबंधित कई जीनों को बाहर कर दिया गया, जो इतनी विस्तृत श्रृंखला में ट्रैक करने के लिए बहुत तेजी से बदलते हैं।
ये निष्कर्ष मस्तिष्क के विकास को एक अत्यधिक विशिष्ट प्रक्रिया के रूप में चित्रित करते हैं। मस्तिष्क को बड़ा या स्मार्ट बनाने वाले जीनों के एक एकल सेट के बजाय, स्तनधारी मस्तिष्क का विविधीकरण विभिन्न जीनों के एक संग्रह द्वारा संचालित होता प्रतीत होता है, जिनमें से प्रत्येक मस्तिष्क के विभिन्न हिस्सों पर विभिन्न दबावों के प्रति प्रतिक्रिया करता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि एक जीन का आणविक इतिहास अक्सर एक विशिष्ट मस्तिष्क लक्षण के भौतिक इतिहास से जुड़ा होता है, लेकिन यह भी दिखाता है कि यह संबंध जटिल है और इस पर निर्भर करता है कि डेटा को कैसे देखा जाता है। हालांकि शोधकर्ता यह साबित नहीं कर सके कि ये जीन सीधे तौर पर मस्तिष्क परिवर्तन का कारण बनते हैं, लेकिन मजबूत सांख्यिकीय संबंध बताते हैं कि वे इस कहानी के प्रमुख खिलाड़ी हैं कि कैसे स्तनधारी मस्तिष्क इतने विविध हुए। जीन परिवर्तन की गति और मस्तिष्क के आकार के बीच के बिंदुओं को जोड़कर, यह कार्य हमारे अपने जटिल मस्तिष्क और हमारे पशु संबंधी रिश्तेदारों के आणविक मूल को समझने के लिए एक नया ढांचा प्रदान करता है।
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