Digital-twin optimized transcranial temporal interference electrical stimulation alters rat brain activity patterns and metabolism including deep structures

मस्तिष्क के भीतर गहराई में, हड्डी और ऊतकों की परतों के नीचे छिपे हुए, कोशिकाओं के छोटे समूह होते हैं जो गति से लेकर मनोदशा तक सब कुछ नियंत्रित करते हैं। जब ये गहरी संरचनाएं खराब हो जाती हैं, तो वे पार्किंसंस रोग या एसेंशियल ट्रेमर (essential tremor) जैसे गंभीर विकार पैदा कर सकती हैं। दशकों तक, उन्हें ठीक करने का एकमात्र तरीका खोपड़ी में छेद करना और एक धातु के तार को डालना था, जिसे 'डीप ब्रेन स्टिमुलेशन' (deep brain stimulation) के रूप में जाना जाता है। हालांकि यह प्रभावी है, लेकिन इस सर्जरी में काफी जोखिम होता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन गहरे लक्ष्यों तक पहुँचने का एक तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जिसमें सिर को काटे बिना ऐसी बिजली का उपयोग किया जाए जो त्वचा के माध्यम से हानिरहित रूप से गुजर सके। चुनौती यह है कि विद्युत धाराएं स्वाभाविक रूप से फैल जाती हैं और यात्रा करते समय अपनी शक्ति खो देती हैं, जिससे मस्तिष्क की सतह को भी झटके दिए बिना एक बहुत ही छोटे, गहरे बिंदु पर ऊर्जा केंद्रित करना कठिन हो जाता है। 'टेम्पोरल इंटरफेरेंस स्टिमुलेशन' (temporal interference stimulation) नामक एक तकनीक एक संभावित समाधान प्रदान करती है। यह दो उच्च-आवृत्ति वाली विद्युत धाराओं का उपयोग करती है जो अलग-अलग कोणों से सिर के माध्यम से गुजरती हैं। व्यक्तिगत रूप से, ये धाराएं इतनी तेज़ होती हैं कि मस्तिष्क की कोशिकाएं उन्हें महसूस नहीं कर पातीं, लेकिन जहाँ वे गहराई में आपस में मिलती हैं, वहाँ वे एक धीमी, लयबद्ध पल्स (pulse) बनाती हैं जिसे मस्तिष्क महसूस कर सकता है। यह शोधकर्ताओं को मस्तिष्क की सतह को अपेक्षाकृत अप्रभावित रखते हुए गहरे क्षेत्रों को लक्षित करने की अनुमति देता है।

जर्मनी में शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में परीक्षण किया कि क्या यह विधि जीवित जानवरों, विशेष रूप से चूहों में काम करती है, और क्या वे कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके इसे अधिक सटीक बना सकते हैं। उन्होंने सबसे पहले चूहे के सिर की एक विस्तृत डिजिटल प्रति, या "डिजिटल ट्विन" (digital twin) बनाकर शुरुआत की। यह कंप्यूटर मॉडल केवल एक साधारण आकार नहीं था; यह एक जटिल मानचित्र था जिसने इस बात का लेखा-जोखा रखा कि त्वचा, हड्डी और मस्तिष्क के ऊतक बिजली का संचालन कैसे करते हैं। इस मॉडल का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने चूहे की खोपड़ी पर चार छोटे इलेक्ट्रोडों के लिए एकदम सही स्थान खोजने के लिए हजारों सिमुलेशन चलाए। उनका लक्ष्य विद्युत पल्स को विशेष रूप से थैलेमस (thalamus) की ओर निर्देशित करना था, जो मोटर नियंत्रण में शामिल एक गहरा मस्तिष्क क्षेत्र है, जबकि अन्य क्षेत्रों को अनावश्यक उत्तेजना से बचाना था। कंप्यूटर गणनाओं ने सुझाव दिया कि इलेक्ट्रोडों को दो विशिष्ट जोड़ों में रखने से ठीक वहीं सबसे मजबूत इंटरफेरेंस पैटर्न बनेगा जहाँ वे चाहते थे।

कंप्यूटर द्वारा योजना की पुष्टि होने के बाद, शोधकर्ता प्रयोगशाला में चले गए। उन्होंने एनेस्थीसिया के प्रभाव में मौजूद चूहों की खोपड़ी पर सावधानीपूर्वक इलेक्ट्रोड लगाए और विद्युत धाराएं प्रवाहित कीं। मस्तिष्क के भीतर क्या हो रहा है, यह देखने के लिए, उन्होंने एक शक्तिशाली मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग (MRI) स्कैनर का उपयोग किया, जो वास्तविक समय में मस्तिष्क की गतिविधि की तस्वीरें ले सकता है। परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब विद्युत उत्तेजना चालू की गई, तो स्कैनर में मस्तिष्क चमक उठा। गहरा थैलेमस, जो उनका वास्तविक लक्ष्य था, एक मजबूत प्रतिक्रिया दिखाता है। लेकिन प्रभाव यहीं नहीं रुका। सिग्नल अन्य गहरी संरचनाओं तक भी पहुँचा, जिसमें हिप्पोकैम्पस (hippocampus) शामिल है, जो स्मृति के लिए महत्वपूर्ण है, और एमिग्डाला (amygdala), जो भावनाओं को संसाधित करता है। मस्तिष्क के दूर के हिस्से भी, जैसे कि विजुअल कॉर्टेक्स (visual cortex) और निर्णय लेने से जुड़े क्षेत्र, गतिविधि के संकेत दिखाते थे। इसने पुष्टि की कि विद्युत पल्स न केवल अपने लक्ष्य को अलग से हिट कर रही थी, बल्कि यह पूरे मस्तिष्क सर्किट को सक्रिय कर रही थी, सीधे तौर पर और उन कनेक्शनों के माध्यम से भी जो विभिन्न मस्तिष्क क्षेत्रों को जोड़ते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि इस प्रक्रिया के दौरान मस्तिष्क की आंतरिक केमिस्ट्री (रसायन विज्ञान) कैसे बदलती है। रासायनिक संदेशवाहकों के स्तर को मापने वाली एक विशेष तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक रुझान पाया जो सुझाव देता है कि थैलेमस में उत्तेजक (excitatory) और निरोधात्मक (inhibitory) संकेतों के बीच का संतुलन बदल गया। विशेष रूप से, ग्लूटामेट (glutamate) में वृद्धि देखी गई, जो एक ऐसा रसायन है जो मस्तिष्क कोशिकाओं को सक्रिय करने के लिए प्रोत्साहित करता है, GABA के सापेक्ष, जो उन्हें शांत करने वाला रसायन है। यह बदलाव बताता है कि उत्तेजना सफलतापूर्वक मस्तिष्क की मेटाबॉलिक स्थिति को बदल रही थी। हालाँकि, जब उन्होंने उत्तेजना रुकने के बाद मस्तिष्क के कनेक्शन कैसे बदले, इसकी जाँच की, तो प्रभाव आश्चर्यजनक रूप से अल्पकालिक थे। मस्तिष्क के विश्राम पैटर्न अपेक्षाकृत जल्दी सामान्य हो गए, जो यह संकेत देते हैं कि एक एकल सत्र उत्तेजना नेटवर्क के स्थायी पुनर्गठन के बजाय एक अस्थायी बदलाव पैदा करती है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि जो सिग्नल वे देख रहे हैं वे वास्तव में मस्तिष्क की बिजली के प्रति प्रतिक्रिया के कारण हैं न कि केवल स्कैनर के साथ विद्युत क्षेत्र के हस्तक्षेप के कारण, टीम ने कई नियंत्रण परीक्षण किए। उन्होंने उसी उपकरण और सेटिंग्स के साथ एक नींबू और एक अचार का स्कैन किया, और कोई सिग्नल परिवर्तन नहीं पाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि मस्तिष्क की गतिविधि एक जैविक प्रतिक्रिया थी। उन्होंने चूहों के एक समूह का भी परीक्षण किया जिन्हें बहुत कमजोर, अप्रभावी करंट दिया गया था, और उन जानवरों में कोई मस्तिष्क गतिविधि नहीं दिखी। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह गैर-आक्रामक (non-invasive) विधि कृन्तकों (rodents) में गहरे मस्तिष्क संरचनाओं को उत्तेजित करने का एक व्यवहार्य तरीका है। कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके एक आदर्श सेटअप डिजाइन करने और वास्तविक दुनिया के परीक्षणों को जोड़ने के साथ, शोधकर्ताओं ने एक कार्यप्रवाह (workflow) बनाया है जो अंततः मनुष्यों के लिए व्यक्तिगत, गैर-सर्जिकल उपचारों की ओर ले जा सकता है। भले ही इस एकल सत्र में प्रभाव अस्थायी थे, लेकिन बिना सर्जरी के गहरे मस्तिष्क क्षेत्रों को सुरक्षित रूप से और सटीक रूप से लक्षित करने की क्षमता न्यूरोलॉजिकल विकारों को समझने और उनके उपचार के लिए एक नया द्वार खोलती है।