Neuronal avalanches in awake macaque V1 and V4
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जागृत मकाक के प्रारंभिक दृश्य प्रांत (V1 और V4) में न्यूरोनल एवलांच्स, मजबूत संरचित एफ़रेंट ड्राइव की उपस्थिति के बावजूद, पूर्व में मोटर क्षेत्रों में देखे गए समान मजबूत पावर-लॉ स्केलिंग और क्रिटिकल डायनेमिक्स प्रदर्शित करते हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
मस्तिष्क कोई स्थिर मशीन नहीं है; यह एक जीवित नेटवर्क है जो वास्तव में कभी नहीं थकता। यहाँ तक कि जब हम किसी विशेष चीज़ के बारे में नहीं सोच रहे होते, तब भी अरबों न्यूरॉन्स जटिल, बदलते हुए पैटर्न में सक्रिय रहते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात को लेकर हैरान थे कि क्या यह पृष्ठभूमि का शोर यादृच्छिक अराजकता (random chaos) है या यह किसी छिपे हुए क्रम का पालन करता है। एक सम्मोहक विचार यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क एक "क्रिटिकल पॉइंट" (critical point) पर कार्य करता है, जो व्यवस्था और अराजकता के बीच एक नाजुक संतुलन है जहाँ सूचना सबसे कुशलता से प्रवाहित होती है। इस अवस्था में, गतिविधि की छोटी चिंगारियाँ कभी-कभी जल्दी बुझ सकती हैं, लेकिन अन्य समय में वे सिंक्रोनाइज्ड फायरिंग की विशाल लहरों में बदल सकती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक छोटा स्नोफ्लेक एक बड़े हिमस्खलन (avalanche) को ट्रिगर कर सकता है। ये कैस्केड (cascades), जिन्हें न्यूरोनल एवलांच (neuronal avalanches) कहा जाता है, एक विशिष्ट गणितीय पैटर्न का पालन करते हैं जहाँ छोटी घटनाओं की आवृत्ति अधिक होती है, लेकिन बड़ी घटनाएँ, हालांकि दुर्लभ होती हैं, फिर भी एक अनुमानित वक्र (curve) में फिट होने के लिए पर्याप्त होती हैं। यदि मस्तिष्क वास्तव में इस क्रिटिकल पॉइंट पर रहता है, तो इसका अर्थ होगा कि नेटवर्क सूचना को संसाधित करने के लिए पूरी तरह से ट्यून किया गया है, जो न तो बदलने के लिए बहुत कठोर है और न ही किसी विचार को बनाए रखने के लिए बहुत अराजक।
हाल तक, इस घटना को जागृत बंदरों के मोटर क्षेत्रों में, जो गति को नियंत्रित करते हैं, और एनेस्थीसिया के तहत जानवरों के ब्रेन स्लाइस में स्पष्ट रूप से देखा गया था। हालाँकि, एक महत्वपूर्ण प्रश्न अनुत्तरित रह गया था: क्या यही क्रिटिकल संगठन एक जागृत जानवर के विजुअल कॉर्टेक्स (visual cortex) में भी मौजूद है? दृश्य प्रणाली अद्वितीय है क्योंकि यह आँखों से आने वाले मजबूत, संरचित संकेतों से लगातार बमबारी का सामना करती है। वैज्ञानिकों को यह जानने की आवश्यकता थी कि क्या यह भारी बाहरी इनपुट इन एवलांच्स के नाजुक संतुलन को बाधित करेगा या मस्तिष्क के गतिविधि को व्यवस्थित करने के आंतरिक नियम इस बात को बनाए रखने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं कि जानवर दुनिया को देखते समय भी बने रहें।
इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं ने दो वयस्क मकाक बंदरों से रिकॉर्ड किए गए एक विशाल डेटासेट का उपयोग किया। इन जानवरों में दो प्रमुख विजुअल क्षेत्रों—प्राथमिक विजुअल कॉर्टेक्स, जो आँखों से पहले संकेत प्राप्त करता है, और एक उच्च क्षेत्र जो अधिक जटिल दृश्य विवरणों को संसाधित करता है—में एक हजार से अधिक सूक्ष्म इलेक्ट्रोड फैले हुए एरे (arrays) लगाए गए थे। बंदर एक अंधेरे कमरे में शांति से बैठे थे, कोई विशिष्ट कार्य नहीं कर रहे थे, जिससे वैज्ञानिकों को उनकी स्वतःस्फूर्त गतिविधि को सुनने की अनुमति मिली। शोधकर्ताओं ने उन क्षणों पर ध्यान केंद्रित किया जब जानवर जागृत थे, नींद या सुस्ती की अवधि को सावधानीपूर्वक फ़िल्टर किया, और उन्होंने इस बात पर बारीकी से ध्यान दिया कि बंदरों की आँखें खुली थीं या बंद। इन इलेक्ट्रोड्स से प्राप्त विद्युत संकेतों का विश्लेषण करके, उन्होंने एवलांच्स के संकेतों को खोजा: गतिविधि के ऐसे क्लस्टर जो छोटे से शुरू होकर बढ़े और उस विशिष्ट सांख्यिकीय पैटर्न का पालन किया जो एक क्रिटिकल पॉइंट पर संचालित होने वाले सिस्टम का सुझाव देता है।
परिणाम चौंकाने वाले थे। दोनों बंदरों में, स्वतःस्फूर्त विद्युत गतिविधि ने बिल्कुल उसी तरह से इन कैस्केड्स का निर्माण किया जैसा कि भविष्यवाणी की गई थी। एवलांच्स का आकार सबसे छोटी घटना के दस गुना से अधिक की सीमा में अपेक्षित पैटर्न का पालन करता है, जो पुष्टि करता है कि विजुअल कॉर्टेक्स, आँखों से मिलने वाले मजबूत संकेतों के बावजूद, मोटर कॉर्टेक्स की तरह ही व्यवस्थित है। शोधकर्ताओं ने अपने विश्लेषण के नियमों को बदलकर इस निष्कर्ष की मजबूती का परीक्षण किया। उन्होंने डेटा को अलग-अलग टाइम विंडो के साथ देखा, एक घटना के रूप में क्या गिना जाए उसके लिए थ्रेशोल्ड (threshold) बढ़ाया, और यह देखने के लिए बड़ी संख्या में इलेक्ट्रोड हटाए कि क्या पैटर्न बना रहता है। हर मामले में, पावर-लॉ रिलेशनशिप (power-law relationship) बरकरार रहा। जब उन्होंने संकेतों के समय को इस तरह से बदल दिया (shuffle किया) कि विभिन्न इलेक्ट्रोडों पर होने वाली घटनाएँ अब एक साथ नहीं हुईं, तो पैटर्न गायब हो गया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह संगठन वास्तविक था और केवल एक सांख्यिकीय संयोग नहीं था। उन्होंने यह भी पाया कि कटऑफ पॉइंट, जहाँ सबसे बड़े एवलांच्स रुक जाते हैं, उनके द्वारा देखे जा रहे इलेक्ट्रोड्स की संख्या के साथ पूरी तरह से स्केल करता है, जो यह सुझाव देता है कि सबसे बड़ी घटनाओं का आकार केवल इस बात से सीमित होता है कि वे मस्तिष्क के कितने हिस्से को देख सकते हैं, न कि मस्तिष्क की आंतरिक गतिशीलता से।
अध्ययन के सबसे दिलचस्प हिस्सों में से एक बंदरों की आँखों की स्थिति से संबंधित था। शोधकर्ताओं ने जानवरों की आँखें खुली होने बनाम बंद होने के दौरान मस्तिष्क की गतिविधि की तुलना की। सहज रूप से, कोई उम्मीद कर सकता है कि जब दृश्य इनपुट की बाढ़ रुक जाती है, तो मस्तिष्क बहुत अलग व्यवहार करेगा। हालाँकि, अध्ययन में पाया गया कि एवलांच्स के मौलिक सांख्यिकी लगभग अपरिवर्तित रहे। चाहे आँखें खुली हों या बंद, कैस्केड्स का आकार, उनके बढ़ने की गति और नेटवर्क के भीतर गतिविधि का संतुलन समान रहा। देखे गए अंतर इतने कम थे कि वे एक ही मस्तिष्क में रिकॉर्डिंग साइटों के बीच देखे जाने वाले प्राकृतिक बदलावों से भी बहुत कम थे। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क का आंतरिक संगठन उल्लेखनीय रूप से स्थिर और मजबूत है, जो बाहरी दुनिया के नाटकीय रूप से बदलने पर भी अपनी क्रिटिकल अवस्था को बनाए रखने में सक्षम है।
शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि जबकि समग्र पैटर्न सुसंगत था, दोनों बंदरों के बीच और मस्तिष्क के भीतर विभिन्न रिकॉर्डिंग स्थानों के बीच सूक्ष्म अंतर थे। ये भिन्नताएं आँखों के खुलने या बंद होने से होने वाले परिवर्तनों की तुलना में अधिक बड़ी थीं, जो संकेत देती हैं कि ऊतक (tissue) की विशिष्ट वास्तुकला या रिकॉर्डिंग के तकनीकी विवरण सटीक संख्याओं को आकार दे सकते हैं। अध्ययन में पूर्ण, अपरिवर्तनीय क्रिटिकैलिटी की स्थिति में काम करने वाले मस्तिष्क का कोई प्रमाण नहीं मिला, बल्कि यह पाया गया कि इसने एक स्थिर, क्रिटिकल-जैसी व्यवस्था बनाए रखी, जो संवेदी इनपुट में बदलाव के प्रति लचीली है। यह कार्य हमारे मस्तिष्क के कार्य करने की समझ को बढ़ाता है, यह दिखाते हुए कि न्यूरोनल एवलांच्स का सुंदर, स्केल-फ्री संगठन केवल मोटर नियंत्रण या शांत, एनेस्थेटाइज्ड अवस्थाओं तक ही सीमित नहीं है, बल्कि एक जागृत, संवेदी-प्रोसेसिंग मस्तिष्क की एक मौलिक विशेषता भी है।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।