RTK signaling and epidermis remodeling instruct dendrite regrowth after pruning in the Drosophila PNS

तंत्रिका तंत्र कोई स्थिर वायरिंग आरेख नहीं है जिसे एक बार बिछा दिया जाए और फिर छोड़ दिया जाए। मनुष्यों सहित कई जानवरों में, शरीर के बढ़ने और बदलने के साथ तंत्रिका कोशिकाओं के बीच के संबंधों को नया आकार देना आवश्यक होता है। यह प्रक्रिया, जिसे 'प्रूनिंग' (छंटाई) कहा जाता है, इसमें उन पुराने तंत्रिका शाखाओं को जानबूझकर हटाना शामिल है जो अब जीव की जरूरतों के अनुकूल नहीं हैं, और उसके बाद नए सर्किट बनाने के लिए नई शाखाओं का विकास करना शामिल है। यह पुनर्गठन सामान्य मस्तिष्क के विकास के लिए महत्वपूर्ण है, और जब यह गलत हो जाता है, तो यह गंभीर न्यूरोलॉजिकल स्थितियों का कारण बन सकता है। फ्रूट फ्लाई (फल मक्खी) में, जो एक छोटा कीट है और जिसका उपयोग अक्सर इस बात का अध्ययन करने के लिए किया जाता है कि जीन विकास को कैसे नियंत्रित करते हैं, यह प्रक्रिया रूपांतरण (मेटामोर्फोसिस) के दौरान बड़े पैमाने पर होती है। जैसे-जैसे एक कैटरपिलर जैसी लार्वा एक पंख वाले वयस्क में बदलती है, उसके तंत्रिका तंत्र को काफी हद तक नष्ट करके नए शरीर की योजना के अनुरूप फिर से बनाना पड़ता है। वैज्ञानिक लंबे समय से समझते आए हैं कि 'एक्डिस्टोन' (ecdysone) नामक एक हार्मोन शुरुआती विघटन, या तंत्रिका शाखाओं की छंटाई को प्रेरित करता है। हालांकि, वह संकेत जो तंत्रिका को वापस बढ़ने के लिए शुरू करने के लिए कहता है, एक रहस्य बना हुआ था, जिससे इस बात की समझ में कमी रह गई थी कि तंत्रिका तंत्र अपने शेष शरीर के साथ अपने पुनर्निर्माण को कैसे समन्वित करता है।

जर्मनी के यूनिवर्सिटी ऑफ मुंस्टर के शोधकर्ताओं ने अब फ्रूट फ्लाई की तंत्रिका शाखाओं के पुनर्विकास और उसकी त्वचा के पुनर्गठन के बीच एक आश्चर्यजनक संबंध का खुलासा किया है। उन्होंने फ्रूट फ्लाई में एक विशिष्ट प्रकार के संवेदी न्यूरॉन पर ध्यान केंद्रित किया जो एक पेड़ की तरह कार्य करता है, जिसमें लंबी, शाखाओं वाली भुजाएं होती हैं जिन्हें डेंड्राइट्स (dendrites) कहा जाता है और जो स्पर्श को महसूस करने के लिए शरीर की दीवार में फैली होती हैं। लार्वा अवस्था के दौरान, ये शाखाएं व्यापक होती हैं, लेकिन जैसे ही मक्खी वयस्क बनने की तैयारी करती है, उन्हें काट दिया जाता है। न्यूरॉन का कोशिका शरीर जीवित रहता है, और बाद में, यह वयस्क मक्खी के अनुकूल शाखाओं का एक पूरी तरह से नया सेट विकसित करना शुरू कर देता है। टीम ने पाया कि यह पुनर्विकास इसलिए नहीं होता क्योंकि तंत्रिका कोशिका को उस हार्मोन से सीधा संकेत मिलता है जिसने पूरी प्रक्रिया शुरू की थी। इसके बजाय, तंत्रिका एक अलग तरह के संदेश का इंतजार करती है, जो उसके ठीक बगल की त्वचा की कोशिकाओं से आता है।

यह पता लगाने के लिए कि तंत्रिका को दोबारा बढ़ने के लिए कब शुरू करना था, वैज्ञानिकों ने पहले यह परीक्षण किया कि क्या हार्मोन एक्डिस्टोन ने सीधे तंत्रिका कोशिका पर पुनर्विकास को ट्रिगर करने के लिए कार्य किया, जैसा कि वह प्रारंभिक कटाई को ट्रिगर करने के लिए करता है। उन्होंने हार्मोन के प्रभाव को विशेष रूप से तंत्रिका कोशिका के भीतर अलग-अलग समय पर बंद करने के लिए एक विशेष प्रकाश-नियंत्रित स्विच का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि जबकि तंत्रिका को अपनी पुरानी शाखाओं को काटने के लिए हार्मोन की आवश्यकता थी, उसे नई शाखाओं को उगाने के लिए अपने भीतर हार्मोन की उपस्थिति की आवश्यकता नहीं थी। इसने इस विचार को खारिज कर दिया कि तंत्रिका कोशिका केवल उसी संकेत की दूसरी खुराक का इंतजार कर रही थी। इसके बजाय, शोधकर्ताओं को संदेह था कि तंत्रिका अपने पड़ोसियों से संकेत का इंतजार कर रही है। उन्होंने उन अणुओं की तलाश की जो विकास संकेतों के रूप में कार्य कर सकें, विशेष रूप से तंत्रिका कोशिका की सतह पर दो प्रकार के रिसेप्टर्स पर ध्यान केंद्रित किया जो ज्ञात विकास कारकों (growth factors) के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं। उन्होंने पाया कि दोनों रिसेप्टर्स आवश्यक थे; उनके बिना, तंत्रिका शाखाएं फिर से नहीं बढ़ पातीं।

अगला कदम यह पता लगाना था कि इन रिसेप्टर्स के लिए संकेत कहाँ से आ रहे थे। शोधकर्ताओं को संदेह था कि इसका उत्तर त्वचा, या एपिडर्मिस (epidermis) में है, क्योंकि तंत्रिका शाखाएं सीधे त्वचा कोशिकाओं के विरुद्ध बढ़ती हैं। फ्रूट फ्लाई में, रूपांतरण के दौरान त्वचा एक नाटकीय परिवर्तन से गुजरती है। लार्वा की बड़ी, पुरानी त्वचा कोशिकाएं मर जाती हैं और वयस्क त्वचा कोशिकाओं की एक नई परत द्वारा प्रतिस्थापित की जाती हैं जो शरीर को ढकने के लिए फैलती हैं। टीम ने देखा कि यह त्वचा का पुनर्गठन समय के एक सटीक अंतराल में होता है: यह ठीक उसी समय समाप्त होता है जब तंत्रिका शाखाओं की कटाई पूरी हो जाती है, लेकिन उनके वापस बढ़ने से ठीक पहले। यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह समय महत्वपूर्ण था, उन्होंने पुरानी त्वचा कोशिकाओं को मरने से रोका और नई कोशिकाओं को फैलने से रोका। जब उन्होंने ऐसा किया, तो तंत्रिका शाखाएं न केवल वापस बढ़ने में विफल रहीं, बल्कि उन्हें शुरू में कटने में भी संघर्ष करना पड़ा। इससे पता चला कि त्वचा में भौतिक और रासायनिक परिवर्तन तंत्रिका की स्वयं को पुनर्गठित करने की क्षमता के साथ मजबूती से जुड़े हुए हैं।

आगे की जांच से इन संकेतों की विशिष्ट प्रकृति का पता चला। नई वयस्क त्वचा कोशिकाएं दो विशिष्ट प्रोटीन का उत्पादन करती हैं जो तंत्रिका कोशिका के विकास रिसेप्टर्स को अनलॉक करने वाली चाबियों के रूप में कार्य करते हैं। इनमें से एक प्रोटीन इंसुलिन जैसा संकेत है, और दूसरा एक अणु है जो विकास कारकों के परिवार से संबंधित है जो कोशिका विकास का मार्गदर्शन करने के लिए जाने जाते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि ये प्रोटीन त्वचा कोशिकाओं द्वारा ठीक उसी समय उत्पादित किए जाते हैं जब तंत्रिका को बढ़ने के लिए उनकी आवश्यकता होती है। जब उन्होंने त्वचा में इन प्रोटीनों के उत्पादन को रोका, तो तंत्रिका शाखाएं बढ़ना बंद कर दीं, भले ही तंत्रिका कोशिकाएं स्वस्थ थीं और रिसेप्टर्स मौजूद थे। इसने पुष्टि की कि तंत्रिका अकेले काम नहीं कर रही है; वह उस ऊतक से संकेत का इंतजार कर रही है जिससे वह जुड़ी हुई है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि क्या त्वचा और तंत्रिका के बीच यह संबंध केवल फ्रूट फ्लाई के लिए अद्वितीय है या प्रकृति का एक सामान्य नियम है। शोधकर्ताओं ने मच्छर की एक प्रजाति की जांच की जो फ्रूट फ्लाई के विपरीत, रूपांतरण के दौरान अपनी त्वचा कोशिकाओं को नहीं बदलती है। मच्छर में, त्वचा कोशिकाएं केवल विभाजित होती हैं और बड़ी होती हैं, वे मरती नहीं हैं। जब उन्होंने मच्छर के तंत्रिका तंत्र को देखा, तो उन्होंने पाया कि फ्रूट फ्लाई की तरह शाखाएं कटी और दोबारा नहीं उगीं। मच्छर की तंत्रिकाएं रूपांतरण के दौरान अपने लार्वा शाखाओं को बनाए रखती हैं। यह सुझाव देता है कि फ्रूट फ्लाई में देखी जाने वाली नाटकीय छंटाई और पुनर्विकास शायद उनकी त्वचा के नाटकीय प्रतिस्थापन के साथ मेल खाने के लिए विशेष रूप से विकसित हुई है। तंत्रिका पुनर्गठन एक नए, स्थिर सतह पर बढ़ने की आवश्यकता की प्रतिक्रिया प्रतीत होता है।

निष्कर्ष एक समन्वित विकास नृत्य का सुझाव देते हैं जहाँ तंत्रिका कोशिका स्वयं यह निर्णय नहीं लेती कि उसे कब पुनर्निर्माण करना है। इसके बजाय, वह प्रतीक्षा करती है कि आसपास का ऊतक अपना पुनर्निर्माण पूरा कर ले। एक बार जब पुरानी त्वचा कोशिकाएं साफ हो जाती हैं और नई वयस्क त्वचा फैलकर स्थिर हो जाती है, तो वह रासायनिक संकेत भेजती है जो तंत्रिका को बताती है, "रास्ता साफ है, तुम अब बढ़ना शुरू कर सकती हो।" यह सुनिश्चित करता है कि नई तंत्रिका शाखाओं के पास जुड़ने के लिए एक स्थिर आधार हो और वे शरीर के बाकी हिस्सों के साथ तालमेल बिठाने के लिए सही समय पर बढ़ें। यह शोध विकास के एक मौलिक सिद्धांत को उजागर करता है: शरीर के एक हिस्से में जटिल परिवर्तन अक्सर दूसरे हिस्से के परिवर्तनों के साथ स्थानीय संकेतों के माध्यम से सिंक्रोनाइज़ होते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि जीव एक एकीकृत इकाई के रूप में खुद को फिर से बनाता है। विशिष्ट अणुओं और इस परस्पर क्रिया के समय की पहचान करके, यह अध्ययन एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि कैसे एक तंत्रिका कोशिका को पता चलता है कि अतीत को कब छोड़ना है और भविष्य की ओर हाथ बढ़ाना है।