Multimodal characterization of putative pan-inhibitory viral constructs in macaque monkeys
यह अध्ययन रीसस मकाक में तीन संभावित पैन-इनहिबिटरी (pan-inhibitory) वायरल वेक्टर्स का एक कठोर मल्टीमॉडल लक्षण वर्णन प्रदान करता है, जो निरोधात्मक न्यूरॉन्स के लिए उनकी उच्च विशिष्टता और परिवर्तनशील सबटाइप कवरेज को प्रदर्शित करता है ताकि गैर-मानव प्राइमेट्स में भविष्य के ऑप्टोजेनेटिक और सर्किट हेरफेर प्रयोगों के लिए मात्रात्मक मार्गदर्शन प्रदान किया जा सके।
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मानव मस्तिष्क अरबों न्यूरॉन्स का एक विशाल नेटवर्क है, लेकिन यह एक एकल, एकसमान द्रव्यमान नहीं है। यह एक जटिल सर्किट बोर्ड की तरह है जहाँ विभिन्न प्रकार की कोशिकाएं विशिष्ट भूमिकाएँ निभाती हैं। कुछ न्यूरॉन्स, जिन्हें उत्तेजक (excitatory) कोशिकाएं कहा जाता है, प्राथमिक चालक के रूप में कार्य करते हैं, जो ऐसे संकेत भेजते हैं जो मस्तिष्क को सक्रिय रखते हैं और सूचनाओं को संसाधित करते हैं। अन्य, जिन्हें निरोधात्मक (inhibitory) न्यूरॉन्स के रूप में जाना जाता है, ब्रेक के रूप में कार्य करते हैं। वे गतिविधि को कम करते हैं, मस्तिष्क को अराजक होने से रोकते हैं और उसे विशिष्ट कार्यों पर ध्यान केंद्रित करने में सक्षम बनाते हैं। चूहों में, वैज्ञानिकों ने प्रकाश के माध्यम से इन "ब्रेक" कोशिकाओं को नियंत्रित करना सीखा है, एक ऐसी तकनीक जिसने यह प्रकट किया है कि वे विचार और गति को कैसे आकार देती हैं। हालाँकि, मानव मस्तिष्क एक चूहे की तुलना में कहीं अधिक जटिल है, और वे उपकरण जो छोटे कृंतकों (rodents) में पूरी तरह से काम करते हैं, अक्सर प्राइमेट्स (primates) में उसी तरह प्रदर्शन करने में विफल रहते हैं। वर्षों से, शोधकर्ता बंदरों में इन निरोधात्मक कोशिकाओं को लक्षित करने और नियंत्रित करने का एक विश्वसनीय तरीका खोजने के लिए संघर्ष कर रहे थे, जिससे यह समझने में एक बड़ी कमी रह गई थी कि प्राइमेट मस्तिष्क कैसे कार्य करता है।
बोस्टन यूनिवर्सिटी और एलन इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने रिसस मैकाक (rhesus macaques) में निरोधात्मक न्यूरॉन्स को लक्षित करने के लिए डिज़ाइन किए गए तीन नए वायरल उपकरणों का परीक्षण करके इस कमी को भरने का प्रयास किया। ये उपकरण अनिवार्य रूप से हानिरहित वायरस हैं जो मस्तिष्क की कोशिकाओं में एक आनुवंशिक निर्देश ले जाते हैं। यह निर्देश कोशिका को एक विशेष प्रोटीन बनाने का निर्देश देता है जो प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया करता है, जिससे वैज्ञानिक लेजर के साथ कोशिका को चालू या बंद कर सकते हैं। शोधकर्ताओं को उम्मीद थी कि ये उपकरण एक "पैन-इनहिबिटरी" (pan-inhibitory) स्विच के रूप में कार्य करेंगे, जिसका अर्थ है कि वे सभी प्रकार के निरोधात्मक न्यूरॉन्स को एक साथ चालू कर देंगे, चाहे उनका विशिष्ट उपप्रकार कुछ भी हो। उन्होंने इन वायरसों को बंदर के मस्तिष्क के चार अलग-अलग क्षेत्रों में इंजेक्ट किया, जिनमें स्पर्श, गति और निर्णय लेने के लिए जिम्मेदार क्षेत्र शामिल थे। वायरस के प्रभावी होने का इंतजार करने के बाद, टीम ने यह देखने के लिए कि वास्तव में क्या हुआ, मस्तिष्क की लाइव रिकॉर्डिंग, विस्तृत ब्रेन स्लाइस और सूक्ष्मदर्शी इमेजिंग के संयोजन का उपयोग किया।
परिणामों ने दिखाया कि उपकरण काम कर रहे थे, लेकिन उस सर्वव्यापी तरीके से नहीं जैसा कि वैज्ञानिकों ने आशा की थी। वायरसों ने सफलतापूर्वक अपने आनुवंशिक निर्देशों को निरोधात्मक न्यूरॉन्स तक पहुँचाया, और जब शोधकर्ताओं ने मस्तिष्क पर प्रकाश डाला, तो उन कोशिकाओं ने प्रतिक्रिया दी। हालाँकि, उन उपकरणों ने प्रत्येक प्रकार के निरोधात्मक न्यूरॉन को समान रूप से लक्षित नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक विशिष्ट समूह के लिए मजबूत प्राथमिकता दिखाई: वे कोशिकाएं जिनमें 'पार्वलबुमिन' (parvalbumin) नामक प्रोटीन होता है। ये कोशिकाएं अपने तेज़, शक्तिशाली फायरिंग पैटर्न के लिए जानी जाती हैं। वायरसों ने 'कैलबिंडिन' (calbindin) नामक एक अन्य प्रोटीन वाली कुछ कोशिकाओं को भी पाया, लेकिन उन्होंने 'कैल्रेटिनिन' (calretinin) वाले तीसरे समूह को लगभग पूरी तरह से अनदेखा कर दिया। वास्तव में, उपकरणों ने कुल निरोधात्मक आबादी के केवल एक-तिहाई से दो-तिहाई हिस्से को ही लेबल किया, जो इस पर निर्भर करता था कि किस विशिष्ट वायरस का उपयोग किया गया था। इसका मतलब यह है कि हालांकि ये उपकरण उपयोगी हैं, लेकिन वे सभी निरोधात्मक कोशिकाओं के लिए वह सार्वभौमिक "ऑन-ऑफ" स्विच नहीं हैं जिसकी शोधकर्ताओं ने कल्पना की थी।
इस चयनात्मकता के बावजूद, अध्ययन ने पुष्टि की कि लक्षित कोशिकाएं स्वस्थ और कार्यात्मक बनी रहीं। जब शोधकर्ताओं ने प्रकाश-संवेदनशील प्रोटीनों को सक्रिय किया, तो निरोधात्मक न्यूरॉन्स ठीक वैसे ही विद्युत संकेत उत्पन्न कर रहे थे जैसे उन्हें करने चाहिए। लाइव प्रयोगों में, मस्तिष्क पर नीला या लाल लेजर चमकाने से ये कोशिकाएं लगभग तुरंत गतिविधि के साथ स्पाइक (spike) करने लगीं। कुछ मामलों में, इन निरोधात्मक कोशिकाओं को सक्रिय करने से पास की उत्तेजक कोशिकाओं को सफलतापूर्वक शांत करने में भी मदद मिली, जिससे सिद्ध हुआ कि सर्किट कनेक्शन बरकरार थे। टीम ने सूक्ष्मदर्शी के नीचे कोशिकाओं को देखा और पाया कि उन्होंने अपना सामान्य आकार बनाए रखा और वायरल संक्रमण से मरने के कोई लक्षण नहीं दिखाए, हालांकि तीन में से एक वायरस प्रकार ने अन्य की तुलना में कोशिकाओं पर थोड़ा अधिक तनाव डाला।
शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि प्रकाश-संवेदनशील प्रोटीन का चुनाव बहुत मायने रखता है। उपकरण के एक संस्करण ने, जिसमें 'रेड-शिफ्टेड' (red-shifted) प्रोटीन का उपयोग किया गया था, वैज्ञानिकों को 'ब्लू-शिफ्टेड' (blue-shifted) प्रोटीन वाले संस्करण की तुलना में न्यूरॉन्स को बहुत अधिक प्रभावी ढंग से सक्रिय करने की अनुमति दी। ऐसा संभवतः इसलिए है क्योंकि लाल प्रकाश नीले प्रकाश की तुलना में मस्तिष्क के ऊतकों में अधिक गहराई तक जा सकता है। इसके अलावा, टीम ने पाया कि वायरस, जेनेटिक स्विच और प्रकाश-संवेदनशील प्रोटीन का विशिष्ट संयोजन एक पूर्ण पैकेज के रूप में मायने रखता है। आप केवल एक भाग को दूसरे से बदलकर वही परिणाम प्राप्त करने की अपेक्षा नहीं कर सकते; पूरा मिश्रण एक अद्वितीय रासायनिक सूत्र की तरह कार्य करता है जहाँ विशिष्ट सामग्रियां परिणाम निर्धारित करती हैं।
यह कार्य भविष्य के अध्ययनों के लिए एक महत्वपूर्ण रोडमैप प्रदान करता है। यह दिखाता है कि हालांकि हम अभी तक एक ही उपकरण से बंदर के हर एक प्रकार के निरोधात्मक न्यूरॉन को नियंत्रित नहीं कर सकते हैं, लेकिन हमारे पास सबसे प्रचुर और महत्वपूर्ण उपप्रकारों को नियंत्रित करने के लिए शक्तिशाली, विश्वसनीय तरीके मौजूद हैं। यह समझकर कि ये उपकरण वास्तव में किन कोशिकाओं तक पहुँचते हैं और वे कैसे व्यवहार करते हैं, वैज्ञानिक अब बेहतर प्रयोगों को डिजाइन कर सकते हैं ताकि यह अध्ययन किया जा सके कि प्राइमेट मस्तिष्क व्यवहार, विचार और गति को कैसे नियंत्रित करता है। यह अध्ययन कोई जादुई समाधान पेश नहीं करता है, बल्कि यह स्पष्ट, मात्रात्मक डेटा प्रदान करता है जो आगे बढ़ने के लिए आवश्यक है, यह सुनिश्चित करता है कि बंदरों में भविष्य का अनुसंधान उन उपकरणों पर आधारित हो जो काम करने के लिए जाने जाते हैं।
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