An astrocytic AMPAR-dependent parity signal preserves synaptic strength
यह अध्ययन प्रकट करता है कि एस्ट्रोसाइटिक AMPARs एक महत्वपूर्ण समानता संकेत (parity signal) के रूप में कार्य करते हैं जो ग्लूटामेटर्जिक ट्रांसमिशन को सत्यापित करते हैं और सिनैप्टिक शक्ति को स्थिर करते हैं, क्योंकि उनका तीव्र निषेध (acute inhibition) माउस स्ट्रिएटल न्यूरॉन्स में NMDA रिसेप्टर-निर्भर पोस्टसिनैप्टिक लॉन्ग-टर्म डिप्रेशन का एक अद्वितीय, नॉन-आयनोट्रोपिक रूप उत्पन्न करता है।
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मस्तिष्क में, संचार सिनैप्स नामक सूक्ष्म जोड़ों पर होता है, जहाँ एक न्यूरॉन दूसरे को एक रासायनिक संदेश भेजता है। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने लगभग पूरी तरह से इस आदान-प्रदान में शामिल दो न्यूरॉन्स पर ध्यान केंद्रित किया: भेजने वाला और प्राप्त करने वाला। हालाँकि, एक तीसरा खिलाड़ी, एस्ट्रोसाइट (astrocyte), इन जोड़ों के ठीक बगल में स्थित होता है। ये तारे के आकार की कोशिकाएं सिनैप्स के चारों ओर लिपटी होती हैं और लंबे समय तक इन्हें केवल निष्क्रिय सहायक स्टाफ माना जाता था, जो केवल कचरे की सफाई करते थे या पोषक तत्व प्रदान करते थे। हालिया शोध ने इस दृष्टिकोण को बदल दिया है, जिससे पता चलता है कि एस्ट्रोसाइट्स सक्रिय भागीदार हैं जो उन रासायनिक संकेतों को महसूस कर सकते हैं जिनका उपयोग न्यूरॉन्स आपस में बात करने के लिए करते हैं। उनके पास अपने स्वयं के रिसेप्टर्स होते हैं, जो उनकी सतह पर मौजूद सूक्ष्म सेंसर हैं जो उन्हीं न्यूरोट्रांसमीटरों का पता लगाते हैं जिनका उपयोग न्यूरॉन्स करते हैं। बड़ा सवाल यह था: क्या एस्ट्रोसाइट की "सुनने" की क्षमता वास्तव में न्यूरॉन्स के बीच बातचीत को बदल देती है? यदि एस्ट्रोसाइट एक संकेत महसूस करता है, तो क्या वह कनेक्शन को मजबूत बनाए रखने में मदद करता है? या वह केवल एक मूक दर्शक है?
ड्यूक यूनिवर्सिटी और सिंघुआ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब पाया है कि एस्ट्रोसाइट की सुनना केवल एक निष्क्रिय अवलोकन नहीं है; यह एक महत्वपूर्ण सत्यापन चरण है। उन्होंने खोजा कि जब एक एस्ट्रोसाइट न्यूरॉन से एक रासायनिक संकेत महसूस करता है, तो वह एक पुष्टि करने वाला संकेत वापस भेजता है जो न्यूरॉन्स के बीच के संबंध को मजबूत बनाए रखता है। यदि एस्ट्रोसाइट उस संकेत को पहचानने में विफल रहता है, तो न्यूरॉन्स के बीच का कनेक्शन कमजोर हो जाता है और अंततः लुप्त हो जाता है, भले ही न्यूरॉन्स स्वयं पूरी तरह से सामान्य रूप से काम कर रहे हों। यह प्रक्रिया एक 'पैरिटी चेक' (parity check) की तरह कार्य करती है, जो मस्तिष्क के लिए एक तरीका है जिससे यह सुनिश्चित किया जा सके कि एक कोशिका द्वारा भेजा गया संदेश वास्तव में आसपास के वातावरण द्वारा प्राप्त और स्वीकार किया गया है, इससे पहले कि उस कनेक्शन को मजबूत रहने दिया जाए।
इस तंत्र को समझने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता थी जिससे वे न्यूरॉन्स को प्रभावित किए बिना एस्ट्रोसाइट्स के सेंसर को शांत कर सकें, जो पिछले उपकरणों के साथ लगभग असंभव कार्य था। उन्होंने 'एस्ट्रो एचटीपी' (AstroHTP) नामक एक नई विधि विकसित की, जो उन्हें जीवित चूहों में एस्ट्रोसाइट्स की सतह पर विशेष रूप से एक दवा जोड़ने की अनुमति देती है। उन्होंने एक वायरस का उपयोग करके एस्ट्रोसाइट्स को उनकी सतह पर एक अद्वितीय आणविक "हुक" प्रदान किया। फिर, उन्होंने एक ऐसी दवा पेश की जो उस हुक के लिए चुंबक की तरह काम करती है। जब दवा को मस्तिष्क में डाला गया, तो वह एस्ट्रोसाइट्स से चिपक गई लेकिन पास के न्यूरॉन्स तक नहीं पहुँच सकी। इसने टीम को एस्ट्रोसाइट्स की ग्लूटामेट (glutamate) को महसूस करने की क्षमता को बंद करने की अनुमति दी, जो मस्तिष्क का प्राथमिक उत्तेजक रासायनिक संदेशवाहक है, जबकि उनके अपने न्यूरॉन्स के सेंसर को पूरी तरह से अछूता छोड़ दिया।
जब उन्होंने स्ट्रिएटम (striatum) में एस्ट्रोसाइट्स के सेंसर को बंद किया, जो मस्तिष्क का वह क्षेत्र है जो गति और सीखने से जुड़ा है, तो कुछ अप्रत्याशित हुआ। न्यूरॉन्स फायरिंग और अपने रासायनिक संकेत जारी करना जारी रखते हैं, लेकिन उनके बीच के संबंध तेजी से कमजोर होने लगे। यह कमजोरीपन 'लॉन्ग-टर्म डिप्रेशन' (long-term depression) का एक रूप था, एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ सिनैप्स अपनी शक्ति खो देते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, यह कमजोरी इसलिए नहीं हुई क्योंकि न्यूरॉन्स क्षतिग्रस्त थे या उन्होंने बात करना बंद कर दिया था; यह विशेष रूप से इसलिए हुआ क्योंकि एस्ट्रोसाइट्स ने सुनना बंद कर दिया था। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस कमजोरी के लिए न्यूरॉन्स का सक्रिय रूप से फायर होना आवश्यक था। यदि न्यूरॉन्स शांत थे, तो एस्ट्रोसाइट सेंसर को बंद करने का कोई प्रभाव नहीं पड़ा। कमजोरी केवल तभी हुई जब न्यूरॉन्स संवाद करने की कोशिश कर रहे थे, जो यह सुझाव देता है कि कनेक्शन को बनाए रखने के लिए वास्तविक समय में एस्ट्रोसाइट की पुष्टि आवश्यक है।
टीम ने इसके बाद जांच की कि यह पुष्टि संकेत कैसे काम करता है। उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया एस्ट्रोसाइट्स द्वारा न्यूरॉन्स को एक नया रासायनिक संदेश भेजने पर निर्भर नहीं थी। इसके बजाय, सिग्नल को महसूस करने वाली एस्ट्रोसाइट की क्रिया ने न्यूरॉन्स के भीतर एक विशिष्ट प्रकार के आंतरिक सिग्नलिंग को रोक दिया जो सामान्य रूप से कनेक्शन को कमजोर करता है। जब एस्ट्रोसाइट ने ग्लूटामेट को महसूस किया, तो उसने कोशिकाओं के बीच के स्थान में 'डी-सेरीन' (D-serine) नामक एक सहायक अणु के स्तर को उच्च बनाए रखा। डी-सेरीन न्यूरॉन्स के रिसेप्टर्स को एक स्थिर अवस्था में रखने के लिए आवश्यक है। जब एस्ट्रोसाइट ने ग्लूटामेट को महसूस करना बंद कर दिया, तो डी-सेरीन का स्तर गिर गया। इस गिरावट ने न्यूरॉन के भीतर एक श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) शुरू कर दी जिसके कारण उसने अपने स्वयं के सेंसरों को हटा दिया, जिससे प्रभावी रूप से कनेक्शन की आवाज़ कम हो गई। शोधकर्ताओं ने इसकी पुष्टि यह दिखाकर की कि यदि उन्होंने डी-सेरीन को कृत्रिम रूप से मस्तिष्क से हटा दिया, तो कनेक्शन उसी तरह कमजोर हो गए जैसे एस्ट्रोसाइट्स को शांत करने पर हुए थे। इसके विपरीत, यदि उन्होंने एस्ट्रोसाइट्स को शांत करते समय अतिरिक्त डी-सेरीन डाला, तो कनेक्शन मजबूत बने रहे।
यह खोज बताती है कि मस्तिष्क में एक अंतर्निर्मित सुरक्षा तंत्र है जहाँ एक कनेक्शन का स्वास्थ्य तीन-तरफा समझौते पर निर्भर करता है। भेजने वाला न्यूरॉन फायर करता है, प्राप्त करने वाला न्यूरॉन सुनता है, और एस्ट्रोसाइट को भी संदेश को सत्यापित करने के लिए उसे पहचानना चाहिए। यदि एस्ट्रोसाइट सिग्नल को मिस कर देता है, तो सिस्टम मान लेता है कि कनेक्शन दोषपूर्ण या अनावश्यक है और उसे कमजोर कर देता है। यह तंत्र एक 'नॉन-आयनोट्रोपिक' (non-ionotropic) मार्ग के माध्यम से संचालित होता है, जिसका अर्थ है कि यह बिजली या आयनों के प्रवाह के बजाय एक रिसेप्टर के आकार बदलने पर निर्भर करता है। यह उन अधिक प्रसिद्ध तरीकों से अलग है जिनसे न्यूरॉन्स सीखते और याद रखते हैं, जिनमें अक्सर संदेश भेजने वाले के रसायनों छोड़ने में बदलाव शामिल होता है।
इस खोज के निहितार्थ यह समझने में विस्तार करते हैं कि मस्तिष्क अपने सर्किट को कैसे बनाए रखता है। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि यह एस्ट्रोसाइटिक "पैरिटी सिग्नल" यह सुनिश्चित करता है कि केवल सक्रिय और सत्यापित कनेक्शन ही मजबूत रहें। यदि यह प्रणाली विफल हो जाती है, तो यह उस क्षेत्र में मस्तिष्क की गतिविधि के वैश्विक दमन (global suppression) की ओर ले जा सकती है। अध्ययन पार्किंसंस रोग और ऑब्सेसिव-कंपल्सिव डिसऑर्डर (OCD) जैसी स्थितियों के साथ संभावित संबंधों की ओर इशारा करता है, जहाँ स्ट्रिएटम में कनेक्शन की ताकत में परिवर्तन ज्ञात होता है। चूंकि ये स्थितियां एस्ट्रोसाइट फंक्शन और डी-सेरीन के स्तर में बदलाव से भी जुड़ी हुई हैं, शोधकर्ताओं का सुझाव है कि इस सत्यापन प्रणाली की विफलता इन बीमारियों का मूल कारण हो सकती है, न कि न्यूरॉन्स में प्राथमिक दोष।
अपने नए उपकरण का उपयोग करके एस्ट्रोसाइट की भूमिका को अलग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि ये कोशिकाएं केवल पृष्ठभूमि सहायता नहीं हैं। वे सक्रिय द्वारपाल (gatekeepers) हैं जो यह निर्धारित करते हैं कि एक सिनैप्टिक कनेक्शन जीवित रहेगा या समाप्त हो जाएगा। मस्तिष्क केवल दो न्यूरॉन्स के बीच की बातचीत पर निर्भर नहीं है; इसे उस बातचीत को मान्य करने के लिए आसपास के वातावरण की भी आवश्यकता होती है। इस मान्यता के बिना, कनेक्शन खो जाता है, जो मस्तिष्क के कार्य का एक मौलिक नियम प्रकट करता है: एक संकेत उतना ही मजबूत होता जितना कि वह पुष्टि प्राप्त करता है जो उसे घेरने वाली कोशिकाओं से मिलती है।
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