Multi-region two-photon calcium imaging in freely moving animals
लेखक MINI2P-II प्रस्तुत करते हैं, जो एक हल्का ड्यूल-कलर टू-फोटॉन मिनिस्कोप सिस्टम है जो स्वतंत्र रूप से घूम रहे जानवरों में व्यापक रूप से अलग मस्तिष्क क्षेत्रों में एक साथ, उच्च-रिज़ॉल्यूशन कैल्शियम इमेजिंग को सक्षम बनाता है, जिससे प्राकृतिक व्यवहारों के दौरान जटिल अंतर-क्षेत्रीय तंत्रिका समन्वय का अनावरण होता है।
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मस्तिष्क एक एकल, अलग कमांड सेंटर नहीं है, बल्कि दूर स्थित पड़ोस का एक विशाल नेटवर्क है, जहाँ प्रत्येक पड़ोस विशिष्ट कार्यों को संभालता है और आपस में लगातार संवाद करता है। यह समझने के लिए कि दौड़ने, चढ़ने या गाने जैसे जटिल व्यवहार कैसे उभरते हैं, वैज्ञानिकों को इन दूरस्थ पड़ोसों को एक साथ सक्रिय होते हुए देखना चाहिए। दशकों तक, उपलब्ध उपकरणों ने एक कठिन विकल्प चुनने के लिए मजबूर किया है। शोधकर्ता या तो एक स्वतंत्र रूप से घूम रहे जानवर के एक मस्तिष्क क्षेत्र को देखने के लिए सूक्ष्म कैमरों का उपयोग कर सकते थे, या वे कई क्षेत्रों को एक साथ सुनने के लिए इलेक्ट्रोड का उपयोग कर सकते थे, लेकिन इलेक्ट्रोड अक्सर ऊतकों को नुकसान पहुँचाते थे या समय के साथ उन्हीं कोशिकाओं का पता खो देते थे। जीवित ऊतकों के भीतर अविश्वसनीय स्पष्टता के साथ झाँकने के लिए 'टू-फोटॉन माइक्रोस्कोपी' नामक तकनीक गोल्ड स्टैंडर्ड है, जो केंद्रित प्रकाश का उपयोग करती है। हालाँकि, इस उच्च-गुणवत्ता वाली इमेजिंग के लिए आवश्यक उपकरण ऐतिहासिक रूप से एक छोटे जानवर के लिए ले जाने हेतु बहुत भारी रहे हैं, जिससे ये विस्तृत दृश्य केवल उन जानवरों तक सीमित रह गए जो या तो बेहोश किए गए हैं या एक स्थिर मशीन से बंधे हुए हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा समाधान बनाया है जो इस वजन की बाधा को तोड़ देता है, जिससे वे वास्तविक समय में जानवर के स्वतंत्र रूप से चलते हुए मस्तिष्क के दूरस्थ पड़ोसों को एक साथ काम करते हुए देख सकते हैं। उन्होंने एक नया उपकरण बनाया, जो मात्र 1.1 ग्राम का एक सूक्ष्म माइक्रोस्कोप है, जो इतना हल्का है कि इसे एक चूहे या यहाँ तक कि एक छोटे गाने वाले पक्षी द्वारा उनके प्राकृतिक व्यवहार में बाधा डाले बिना ले जाया जा सकता है। एक ही जानवर पर इन दो उपकरणों को लगाने से, वैज्ञानिक पहली बार इस स्तर के विवरण के साथ दो अलग-अलग मस्तिष्क क्षेत्रों से एक साथ रिकॉर्ड करने में सक्षम हुए। उन्होंने प्रदर्शित किया कि यह सेटअप यह अध्ययन करने के लिए काम करता है कि मस्तिष्क के दोनों हिस्से कठिन शारीरिक कार्यों के दौरान कैसे समन्वय करते हैं, कैसे आस-पास के मस्तिष्क क्षेत्र स्थानिक जानकारी को एनकोड करते हैं, और कैसे युवा पक्षियों के मस्तिष्क गाना सीखते हैं। यह कार्य वितरित न्यूरल सर्किट की समन्वित गतिविधि के लिए एक खिड़की खोलता है, जो यह दिखाता है कि मस्तिष्क की जटिल बातचीत को उनके पूर्ण, प्राकृतिक संदर्भ में देखा जा सकता है।
इस उपलब्धि का मूल नए माइक्रोस्कोप का डिज़ाइन है, जिसे शोधकर्ता MINI2P-II कहते हैं। टू-फोटॉन माइक्रोस्कोप को छोटा करने के पिछले प्रयासों के परिणामस्वरूप अक्सर इमेज की गुणवत्ता में कमी या मस्तिष्क के भीतर गहराई तक देखने की क्षमता में कमी आई थी। नया उपकरण प्रकाश के यात्रा पथ को फिर से सोचकर इस समस्या को दूर करता है। कई अलग-अलग लेंसों और दर्पणों का उपयोग करने के बजाय, डिजाइनरों ने कई कार्यों को एकल घटकों में संयोजित किया और प्रकाश पथों को इस तरह मोड़ा कि वे एक ही भौतिक स्थान घेर सकें। उन्होंने भारी धातु के हिस्सों को हल्के कार्बन-फाइबर सामग्री से बदल दिया और एक नए प्रकार के फाइबर ऑप्टिक केबल का उपयोग किया जो जानवर के मुड़ने और घूमने पर भी लेजर प्रकाश को स्थिर रखता है। परिणाम स्वरूप, यह एक ऐसा उपकरण है जो अपने पूर्ववर्तियों के वजन से आधा से भी कम है लेकिन बेहतर स्पष्ट छवियां, व्यापक दृश्य क्षेत्र और मस्तिष्क के ऊतकों में अधिक गहराई तक देखने की क्षमता प्रदान करता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह उपकरण मॉड्यूलर है, जिसका अर्थ है कि पूरे सिस्टम को फिर से बनाए बिना विभिन्न हिस्सों को बदला या अपग्रेड किया जा सकता है।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह हल्का उपकरण जोरदार गतिविधि के दौरान मस्तिष्क की गतिविधि को पकड़ सकता है, शोधकर्ताओं ने इसे एक चुनौतीपूर्ण शारीरिक कार्य करने वाले चूहों पर परखा। उन्होंने चूहों को भोजन के पुरस्कार तक पहुँचने के लिए एक ऊर्ध्वाधर सीढ़ी चढ़ने के लिए प्रशिक्षित किया, जो आगे और पीछे के पैरों के सटीक समन्वय की मांग करता है। दो MINI2P-II माइक्रोस्कोपों का उपयोग करके, उन्होंने एक ही समय में मस्तिष्क के बाएं और दाएं दोनों तरफ के मोटर कॉर्टेक्स से रिकॉर्ड किया। डेटा से पता चला कि मस्तिष्क के दोनों हिस्से केवल एक-दूसरे की नकल नहीं करते हैं। चढ़ाई के दौरान, मस्तिष्क के दाहिने हिस्से की गतिविधि de दाईं ओर की गतिविधि से एक सेकंड के अंश द्वारा लगातार आगे रहती है, जो इस जटिल गति के लिए विशिष्ट कमांड अनुक्रम का सुझाव देती है। इसके अलावा, जब उन्होंने केवल औसत गतिविधि के बजाय व्यक्तिगत कोशिकाओं को देखा, तो उन्होंने पाया कि चढ़ाई के दौरान दोनों तरफ के न्यूरॉन्स के विशिष्ट समूह एक साथ कसकर क्लस्टर में फायर हुए, जबकि अन्य समूहों ने विपरीत दिशा में फायर किया। समन्वय के ये जटिल पैटर्न तब अदृश्य थे जब केवल एक तरफ के मस्तिष्क को देखा गया या सभी कोशिकाओं की औसत गतिविधि को देखा गया।
शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि इस तकनीक का उपयोग उन मस्तिष्क क्षेत्रों के अध्ययन के लिए किया जा सकता है जो एक-दूसरे के बहुत करीब हैं, जो पहले दो अलग-अलग माइक्रोस्कोपों के साथ असंभव था क्योंकि उपकरण जानवर के सिर पर आपस में टकरा जाते। उन्होंने एक नया ऑप्टिकल असेंबली विकसित किया, जो अनिवार्य रूप से विशेष लेंसों और प्रिज्म से बना एक छोटा पेरिस्कोप है, जो माइक्रोस्कोप के दृश्य को बगल में और नीचे की ओर स्थानांतरित करता है। इसने उन्हें एक ही चूहे के सिर के एक ही तरफ दो माइक्रोस्कोप लगाने की अनुमति दी और फिर भी दो अलग-अलग, आस-पास के मस्तिष्क क्षेत्रों को देखने की अनुमति दी। इस सेटअप का उपयोग करते हुए, उन्होंने रेट्रोस्प्लेनियल कॉर्टेक्स और पोस्टीरियर पैरिएटल कॉर्टेक्स से रिकॉर्ड किया, जो दो ऐसे क्षेत्र हैं जो जानवरों को उनके वातावरण में नेविगेट करने में मदद करने के लिए जाने जाते हैं। उन्होंने पाया कि हालांकि दोनों क्षेत्रों में ऐसी कोशिकाएं थीं जो जानवर के दीवार के पास होने पर फायर हुईं, लेकिन रेट्रोस्प्लेनियल कॉर्टेक्स की कोशिकाएं तब अधिक सक्रिय थीं जब दीवार जानवर के बाईं ओर थी, जबकि पैरिएटल कॉर्टेक्स की कोशिकाएं दोनों ओर की दीवारों के प्रति अधिक संतुलित प्रतिक्रिया दिखाती थीं। दुनिया का मानचित्रण करने के तरीके में यह सूक्ष्म अंतर एक ही जानवर में दोनों क्षेत्रों से एक साथ रिकॉर्ड करके ही पता लगाया जा सकता था।
अंत में, उपकरण के अत्यधिक हल्केपन ने टीम को बहुत छोटे जानवरों और कम उम्र के विकासात्मक चरणों तक विस्तार करने की अनुमति दी। उन्होंने सफलतापूर्वक ज़ेब्रा फिंच, जो एक छोटा गाने वाला पक्षी है, के मस्तिष्क से रिकॉर्ड करने के लिए माइक्रोस्कोप का उपयोग किया। वयस्क पक्षियों में, उन्होंने देखा कि गाना नियंत्रण के लिए जिम्मेदार मस्तिष्क कोशिकाएं तब शांत रहीं जब पक्षी मादा के साथ बातचीत कर रहा था, लेकिन जैसे ही पक्षी ने गाना शुरू किया, वे सक्रिय हो गईं। उन्होंने एक किशोर पक्षी से भी रिकॉर्ड किया जो अभी भी गाना सीख रहा था। इन युवा पक्षियों में, मस्तिष्क कोशिकाएं तब भी सक्रिय थीं जब पक्षी गा नहीं रहा था, जो निरंतर अभ्यास और सीखने की स्थिति का सुझाव देता है। एक स्वतंत्र रूप से घूमते हुए किशोर पक्षी में इस स्तर का विवरण पहले अप्राप्य था, क्योंकि पुराने, भारी माइक्रोस्कोप छोटे जानवर के लिए बहुत बोझिल होते।
इस परियोजना की सफलता यह प्रदर्शित करती है कि न्यूरोसाइंस उपकरणों के वजन और आकार की सीमाएं अजेय नहीं हैं। एक मौलिक रूप से पुन: डिज़ाइन किए गए माइक्रोस्कोप को चतुर ऑप्टिकल एक्सेसरीज के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने मस्तिष्क के काम करने के तरीके को देखने का एक नया तरीका प्रदान किया है। उन्होंने दिखाया है कि मस्तिष्क के जटिल व्यवहार दूरस्थ और आस-पास के क्षेत्रों के बीच गतिशील, समन्वित बातचीत से उत्पन्न होते हैं, ऐसी बातचीत जिसे अब दुनिया में स्वतंत्र रूप से घूम रहे जानवरों में देखा जा सकता है। यह दृष्टिकोण यह समझने के लिए एक शक्तिशाली लेंस प्रदान करता है कि तंत्रिका सर्किट कैसे विकसित होते हैं, वे कैसे सीखते हैं, और वे कैसे विफल होते हैं, वह भी उन प्राकृतिक व्यवहारों को बाधित किए बिना जिन्हें वैज्ञानिक समझना चाहते हैं।
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