Dose-dependent ultrasound neuromodulation of the human brain
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि इन विवो (in vivo) अल्ट्रासाउंड-प्रेरित ऊतक विस्थापन (tissue displacement), न कि सिम्युलेटेड ध्वनिक तीव्रता (simulated acoustic intensity), मानव थैलेमोकोर्टिकल सर्किट में खुराक-निर्भर कार्यात्मक न्यूरोमॉड्यूलेशन के एक विश्वसनीय भविष्यवक्ता के रूप में कार्य करता है, जो व्यक्तिगत ट्रांसक्रानियल अल्ट्रासाउंड डोज़िंग के लिए एक आधार स्थापित करता है।
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मानव मस्तिष्क एक जटिल मशीन है, और दशकों से वैज्ञानिक इसकी आंतरिक कार्यप्रणाली को बिना खोपड़ी को काटे, धीरे से प्रभावित करने का तरीका खोजने का प्रयास कर रहे हैं। इसके लिए एक आशाजनक उपकरण 'ट्रांसक्रानियल अल्ट्रासाउंड स्टिमुलेशन' (transcranial ultrasound stimulation) है, जो सिर के भीतर गहरी संरचनाओं तक पहुँचने के लिए उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगों का उपयोग करता है। हालाँकि ध्वनि तरंगें खोपड़ी के माध्यम से गुजर सकती हैं, लेकिन यह यात्रा कठिन है; हड्डी तरंगों को विकृत कर देती है, और किसी विशिष्ट लक्ष्य तक पहुँचने वाली ऊर्जा की सटीक मात्रा व्यक्ति दर व्यक्ति बहुत भिन्न होती है। इस अनिश्चितता ने यह जानना कठिन बना दिया है कि मस्तिष्क की गतिविधि को बदलने के लिए ध्वनि की कितनी "खुराक" (dose) की आवश्यकता है, जिससे अनुसंधान और संभावित चिकित्सा उपचारों दोनों में असंगत परिणाम देखने को मिले हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता थी जिससे वे केवल कंप्यूटर मॉडल के आधार पर अनुमान लगाने के बजाय, यह देख सकें कि जीवित मानव मस्तिष्क के भीतर ध्वनि तरंगें वास्तव में क्या कर रही हैं।
स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी और अन्य संस्थानों के वैज्ञानिकों की एक टीम ने अल्ट्रासाउंड को मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग (MRI) के साथ जोड़कर, ध्वनि तरंगों के कारण मस्तिष्क के ऊतकों (tissue) में होने वाली भौतिक गति को मापने की समस्या को हाल ही में हल किया है। उन्होंने एक छोटी, गहरी संरचना पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'लेटरल जेनिकुलेट न्यूक्लियस' (lateral geniculate nucleus) कहा जाता है, जो दृष्टि के लिए एक रिले स्टेशन है और मस्तिष्क के गहरे हिस्से में स्थित है। इस विशिष्ट स्थान को लक्षित करके, वे यह परीक्षण कर सके कि ध्वनि तरंगों के कारण ऊतकों में होने वाली भौतिक गति की मात्रा ने मस्तिष्क की गतिविधि में कितने परिवर्तन की भविष्यवाणी की। 24 स्वस्थ वयस्कों पर किए गए एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट संबंध पाया: जब ध्वनि से मस्तिष्क के ऊतक अधिक हिलते थे, तो मस्तिष्क की गतिविधि में परिवर्तन भी उतना ही प्रबल होता था। यह खोज बताती है कि केवल मशीन की पावर सेटिंग के आधार पर नहीं, बल्कि ध्वनि तरंगों के वास्तविक भौतिक दबाव (physical push) को मापना ही यह समझने और नियंत्रित करने की कुंजी है कि अल्ट्रासाउंड मानव मस्तिष्क को कैसे प्रभावित करता है।
प्रयोग को सटीक और 'डबल-ब्लाइंड' (double-blind) बनाया गया था, जिसका अर्थ है कि न तो प्रतिभागियों को और न ही शोधकर्ताओं को यह पता था कि किसी भी समय किस प्रकार का उद्दीपन (stimulation) दिया जा रहा है। स्वयंसेवक एक एमआरआई (MRI) स्कैनर के भीतर लेटे हुए थे जबकि उनके कान के पास रखे एक विशेष उपकरण ने उनके मस्तिष्क में केंद्रित ध्वनि तरंगें भेजीं। शोधकर्ताओं ने मस्तिष्क के एक तरफ के विजन सेंटर (दृष्टि केंद्र) को लक्षित किया और इसकी तुलना एक नियंत्रण स्थिति (control condition) से की, जहाँ ध्वनि तरंगों को मस्तिष्क के दूसरे, गैर-दृष्टि वाले भाग में भेजा गया था। जब ध्वनि चल रही थी, तब प्रतिभागियों ने स्क्रीन पर चमकते हुए चेकरबोर्ड पैटर्न देखे ताकि उनकी दृश्य प्रणाली सक्रिय रहे। एमआरआई स्कैनर ने मस्तिष्क में रक्त प्रवाह को मापा, जो तंत्रिका गतिविधि (neural activity) के एक प्रतिनिधि (proxy) के रूप में कार्य करता है, जिससे टीम यह देख सकी कि मस्तिष्क कहाँ और कितनी प्रतिक्रिया दे रहा है।
ध्वनि और मस्तिष्क की प्रतिक्रिया के बीच संबंध को समझने के लिए, टीम ने 'मैग्नेटिक रेजोनेंस एकस्टिक रेडिएशन फोर्स इमेजिंग' नामक एक विशेष इमेजिंग तकनीक का उपयोग किया। इस पद्धति ने उन्हें ध्वनि तरंगों के कारण मस्तिष्क के ऊतकों में होने वाले सूक्ष्म, सूक्ष्मदर्शीय बदलावों को देखने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि ध्वनि के प्रभाव से ऊतकों की गति व्यक्ति दर व्यक्ति काफी भिन्न होती थी, भले ही मशीन की सेटिंग्स समान हों। यह भिन्नता खोपड़ी के आकार और इस बात के कारण थी कि ध्वनि तरंगें सिर के माध्यम से कैसे यात्रा करती हैं। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह भौतिक गति मस्तिष्क की प्रतिक्रिया का सबसे अच्छा भविष्यवक्त्ता (predictor) थी। जब ऊतक अधिक हिलते थे, तो लक्षित विजन सेंटर में मस्तिष्क की गतिविधि काफी बढ़ जाती थी। यह प्रभाव केवल स्थानीय नहीं था; यह मस्तिष्क के पीछे स्थित विजुअल कॉर्टेक्स तक मस्तिष्क की प्राकृतिक वायरिंग के माध्यम से भी यात्रा करता था, जो दर्शाता है कि ध्वनि तरंगों ने सफलतापूर्वक न्यूरॉन्स के एक पूरे नेटवर्क को सक्रिय किया।
अध्ययन ने यह भी परीक्षण किया कि क्या कंप्यूटर सिमुलेशन इन परिणामों की भविष्यवाणी कर सकते हैं। वैज्ञानिक अक्सर यह अनुमान लगाने के लिए सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हैं कि ध्वनि तरंगें खोपड़ी के माध्यम से कैसे यात्रा करती हैं। हालाँकि, इस प्रयोग में, कंप्यूटर मॉडल वास्तविक मस्तिष्क प्रतिक्रिया या ऊतक की गति की भविष्यवाणी करने में विफल रहे। सिमुलेशन यह अनुमान लगाने में अच्छे थे कि ध्वनि कहाँ केंद्रित होगी, लेकिन वे यह सटीक रूप से नहीं बता सके कि उसका प्रभाव कितना मजबूत होगा। यह वर्तमान तकनीक की एक बड़ी सीमा को उजागर करता है: जबकि हम ध्वनि के स्थान का मानचित्रण कर सकते हैं, हम अभी तक सीधे माप के बिना जीवित मानव सिर के भीतर उसकी शक्ति की विश्वसनीय गणना नहीं कर सकते। वास्तविक खुराक जानने का एकमात्र तरीका स्कैनर के भीतर ऊतक की गति को सीधे मापना था।
शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि क्या मस्तिष्क की इस गतिविधि में बदलाव से लोगों के दुनिया को देखने के तरीके में कोई बदलाव आता है। हालाँकि मस्तिष्क की गतिविधि स्पष्ट रूप से बढ़ी, लेकिन प्रतिभागियों ने चमकते पैटर्नों को पहचानने की अपनी क्षमता में कोई सुसंगत, मापने योग्य सुधार नहीं दिखाया। लेखकों का सुझाव है कि ऐसा इसलिए हो सकता है क्योंकि कार्य इतना संवेदनशील नहीं था कि सूक्ष्म बदलावों को पकड़ सके, या इसलिए क्योंकि उत्तेजित किया गया विजन सिस्टम उस क्षेत्र से पूरी तरह मेल नहीं खाता था जिसे प्रतिभागियों को देखने के लिए कहा गया था। भौतिक गति के संबंध में स्पष्ट व्यवहारिक परिवर्तन की कमी के बावजूद, यह तथ्य कि ऊतक की भौतिक गति मस्तिष्क की विद्युत प्रतिक्रिया की भविष्यवाणी करती है, एक बड़ी उपलब्धि है। यह वास्तविक समय में अल्ट्रासाउंड की "खुराक" को मापने का एक ठोस तरीका प्रदान करता है, जो इस क्षेत्र को अनुमान लगाने के बजाय एक अधिक सटीक और व्यक्तिगत दृष्टिकोण की ओर ले जाता है।
यह कार्य स्थापित करता है कि ध्वनि तरंगों का मस्तिष्क के ऊतकों पर पड़ने वाला यांत्रिक दबाव (mechanical push) इस बात का एक विश्वसनीय संकेतक है कि मस्तिष्क कितनी प्रतिक्रिया देगा। सीधे इस गति को मापकर, वैज्ञानिक अब खोपड़ी के आकार और ऊतकों के घनत्व में अंतर को ध्यान में रख सकते हैं, जिसने पिछले अध्ययनों को इतना असंगत बना दिया था। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि अल्ट्रासाउंड मनुष्यों में गहरे मस्तिष्क संरचनाओं और उनके जुड़े नेटवर्क को सुरक्षित रूप से और विशिष्ट रूप से सक्रिय कर सकता है। हालाँकि इस तकनीक को खुराक मापने के लिए अभी भी एमआरआई स्कैनर की आवश्यकता है, फिर भी यह सिद्धांत भविष्य के उपचारों के लिए द्वार खोलता है जहाँ ध्वनि को व्यक्ति की अद्वितीय शारीरिक रचना (anatomy) के अनुरूप ढाला जा सकता है। यह मस्तिष्क उत्तेजना के विज्ञान को एक ऐसे भविष्य की ओर ले जाता है जहाँ डॉक्टर तंत्रिका संबंधी स्थितियों के इलाज के लिए आवश्यक ऊर्जा की सटीक मात्रा प्रदान कर सकें, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि उपचार प्रत्येक रोगी के लिए प्रभावी और सुरक्षित है।
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