Spontaneous neural activity in the developing ant olfactory system

मस्तिष्क कोई एक बार में बनी हुई स्थिर मशीन नहीं है; यह एक जीवित संरचना है जिसे विकसित होते समय खुद को आपस में जोड़ना (वायर करना) पड़ता है। घ्राण प्रणाली (ऑलफैक्ट्री सिस्टम) में, यानी सूंघने की शक्ति में, यह वायरिंग प्रक्रिया विशेष रूप से जटिल है। लाखों सूक्ष्म तंत्रिका कोशिकाएं, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट गंध का पता लगाने के लिए ट्यून की गई होती हैं, उन्हें एक कार्यात्मक मानचित्र बनाने के लिए मस्तिष्क में अपने सही गंतव्य तक पहुँचना होता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात पर बहस कर रहे हैं कि ये कोशिकाएं अपना रास्ता कैसे खोजती हैं। फ्रूट फ्लाई (फल मक्खी) में, ब्लूप्रिंट केवल कोशिकाओं के आनुवंशिक कोड में लिखा हुआ प्रतीत होता है, जो उन्हें एक-दूसरे से "बात" करने की आवश्यकता के बिना उनके लक्ष्यों तक निर्देशित करता है। हालाँकि, स्तनधारियों में, यह प्रक्रिया अधिक गतिशील दिखाई देती है, जो स्वतःस्फूर्त विद्युत संकेतों पर निर्भर करती है जो जानवर के किसी गंध का सामना करने से पहले ही सक्रिय हो जाते हैं। ये संकेत एक पूर्वाभ्यास (रिहर्सल) के रूप में कार्य करते हैं, जिससे तंत्रिका कोशिकाओं को खुद को व्यवस्थित करने और सही ढंग से जुड़ने में मदद मिलती है। वह प्रश्न जो लंबे समय से अनसुलझा रहा है, वह यह है कि चींटियाँ इस चित्र में कहाँ फिट बैठती हैं। चींटियों में गंध की शक्ति स्तनधारियों के बराबर या उससे भी अधिक होती है, जिसमें सैकड़ों अलग-अलग गंध रिसेप्टर्स और हजारों छोटी प्रसंस्करण इकाइयों से भरा मस्तिष्क क्षेत्र होता है। इस जटिलता को देखते हुए, यह संभव लग रहा था कि चींटियाँ शायद फल मक्खी की सरल, पूर्व-निर्धारित पद्धति के बजाय स्तनधारियों में देखी जाने वाली उसी सक्रिय, सिग्नल-संचालित विकास प्रक्रिया पर निर्भर हो सकती हैं।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक अद्वितीय कीट की ओर रुख किया: क्लोनल रेडर एंट (clonal raider ant)। अधिकांश कीटों के विपरीत, जो अपने लार्वा से वयस्क में परिवर्तन के दौरान एक कठोर, अपारदर्शी कवच में बंद रहते हैं, इस चींटी प्रजाति के प्यूपा (कोशिका अवस्था) पारभासी होते हैं और उनमें सुरक्षात्मक कोकून का अभाव होता है। इस जैविक विशेषता ने वैज्ञानिकों को चींटी के जीवित मस्तिष्क को बिना काटे सीधे अंदर देखने की अनुमति दी। ऊतकों के भीतर गहराई तक देख सकने वाले एक विशेष सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, टीम ने वास्तविक समय में गंध के लिए जिम्मेदार तंत्रिका कोशिकाओं को देखा। उन्होंने इन चींटियों को एक चमकते हुए प्रोटीन के साथ इंजीनियर किया था जो एक तंत्रिका कोशिका सक्रिय होने पर प्रकाश उत्पन्न करता है, जिससे मस्तिष्क की अदृश्य विद्युत बातचीत एक दृश्य चमक में बदल जाती है। इन चमकों को कई दिनों तक रिकॉर्ड करके, शोधकर्ता देख सके कि मेटामोर्फोसिस (कायांतरण) की शुरुआत से लेकर वयस्क चींटी के उभरने के क्षण तक गंध प्रणाली खुद को कैसे व्यवस्थित करती है।

उन्होंने जो देखा वह बदलते लय की एक कहानी थी। विकास के शुरुआती दिनों में, जब मस्तिष्क के गंध केंद्र अभी आकार लेना शुरू ही कर रहे थे, तंत्रिका कोशिकाएं सक्रिय तो थीं लेकिन अराजक थीं। वे एक-दूसरे से पूरी तरह स्वतंत्र होकर अपने संकेत छोड़ रही थीं। कुछ कोशिकाएं तीव्र, संक्षिप्त गतिविधियों के साथ गूँज रही थीं, जबकि अन्य लंबी, धीमी तरंगों के साथ रुकी हुई थीं। कोशिकाओं को जोड़ने वाला कोई पैटर्न नहीं था; प्रत्येक कोशिका ऐसा लग रहा था जैसे वह अपना काम स्वयं कर रही हो। यह असंबद्ध गतिविधि विकास के मध्य चरणों में भी बनी रही। यहाँ तक कि जैसे-जैसे तंत्रिका कोशिकाओं की संख्या बढ़ी और मस्तिष्क की संरचनाएँ अधिक स्पष्ट हुईं, संकेत काफी हद तक असंबद्ध रहे, जिससे पता चलता है कि कोशिकाएं अभी तक एक समन्वित तरीके से संवाद नहीं कर रही थीं। इस निष्कर्ष ने इस विचार को चुनौती दी कि चींटी की जटिल गंध प्रणाली का विकास ठीक फल मक्खी की तरह हो सकता है, जहाँ ऐसी गतिविधि अक्सर अनुपस्थित होती है, लेकिन यह स्तनधारियों के विकसित होते नेत्रों में देखी जाने वाली अत्यधिक संगठित तरंगों से भी भिन्न था।

असली आश्चर्य तब आया जब प्यूपा अपने परिवर्तन के अंत के करीब पहुँच गए, वयस्क के रूप में निकलने से केवल एक या दो दिन पहले। इस अंतिम चरण में, अराजक, स्वतंत्र फायरिंग गायब हो गई। इसके स्थान पर एक शक्तिशाली, लयबद्ध स्पंदन (पल्स) उभरा जो पूरी प्रणाली में फैल गया। अचानक, चींटी के दोनों एंटीना (स्पर्शक) की प्रत्येक तंत्रिका कोशिका पूर्ण सामंजस्य में फायर करने लगी। ये यादृच्छिक स्पाइक्स नहीं थे बल्कि गतिविधि की बड़ी, आरी के दांत जैसी (साथवर्थ) लहरें थीं जो एक साथ ऊपर और नीचे उठती थीं, और मस्तिष्क के बाएं और दाएं पक्षों को एक समन्वित नृत्य में संलग्न करती थीं। यह वैश्विक घटना इतनी मजबूत थी कि इसे उच्च-शक्ति वाले सूक्ष्मदर्शी के बिना भी, एक मानक प्रकाश के तहत चमकते हुए एंटीना को देखकर देखा जा सकता था। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि हालांकि इन लहरों का समय एक चींटी से दूसरी चींटी में भिन्न था, लेकिन दोनों एंटीना के बीच का तालमेल बहुत सटीक था, जो एक अंतिम, प्रणाली-व्यापी पूर्वाभ्यास का सुझाव देता है कि पूरी प्रणाली दुनिया में प्रवेश करने के लिए तैयार है।

ये अवलोकन बताते हैं कि चींटी की घ्राण प्रणाली का विकास फल मक्खियों की तुलना में स्तनधारियों के अधिक समान पथ का अनुसरण करता है। स्वतःस्फूर्त गतिविधि की उपस्थिति, जो जीव के परिपक्व होने के साथ बदल जाती है, यह संकेत देती है कि मस्तिष्क केवल एक कठोर आनुवंशिक पटकथा का पालन नहीं कर रहा है। इसके बजाय, तंत्रिका कोशिकाएं इन आंतरिक संकेतों का उपयोग खुद को व्यवस्थित करने और अपने कनेक्शन को परिष्कृत करने में करती प्रतीत होती हैं। प्रारंभिक, असंबद्ध गतिविधि कोशिकाओं को अपने कनेक्शन का परीक्षण करने की अनुमति दे सकती है, जबकि अंतिम, सिंक्रोनाइज्ड लहरें यह सुनिश्चित करने के लिए एक अंतिम जांच के रूप में कार्य कर सकती हैं कि पूरा नेटवर्क कार्य करने के लिए तैयार है। हालांकि यह अध्ययन अभी तक यह सिद्ध नहीं करता है कि ये संकेत मस्तिष्क के सही ढंग से बनने के लिए अनिवार्य रूप से आवश्यक हैं, लेकिन यह खोज एक नया द्वार खोलती है। यह सुझाव देता है कि चींटियों की जटिल सामाजिक दुनिया, जो रासायनिक संचार पर बहुत अधिक निर्भर करती है, ने एक ऐसे विकासात्मक प्रक्रिया को विकसित करने के लिए प्रेरित किया होगा जो उस प्रणाली जितनी ही परिष्कृत है जिसे वह बनाती है। क्लोनल रेडर एंट अब उन मॉडल जीवों की श्रेणी में शामिल हो गई है जो वैज्ञानिकों को मस्तिष्क को खुद को बनाते हुए देखने की अनुमति देते हैं, जिससे यह समझने का एक दुर्लभ अवसर मिलता है कि एक जटिल गंध की शक्ति कैसे जीवंत होती है।