Multimodal profiling and intersectional genetics reveal CA1 border inhibitory neuron diversity and postnatal emergence of retrosplenial connectivity

मस्तिष्क विद्युत संकेतों का एक विशाल नेटवर्क है, लेकिन इन संकेतों को अर्थ देने के लिए उन्हें सटीक सर्किट में व्यवस्थित होना चाहिए। हिप्पोकैम्पस के भीतर, जो स्मृति के लिए महत्वपूर्ण एक क्षेत्र है, न्यूरॉन्स का एक विशिष्ट समूह मुख्य आउटपुट के रूप में कार्य करता है, जो मस्तिष्क के अन्य हिस्सों में सूचना भेजता है। हालाँकि, ये आउटपुट न्यूरॉन्स अकेले काम नहीं करते हैं; वे निरंतर अवरोधक (इनहिबिटरी) न्यूरॉन्स की एक विविध टीम द्वारा आकार लेते हैं जो ट्रैफिक कंट्रोलर की तरह कार्य करते हैं, जो यह सुनिश्चित करने के लिए संकेतों को धीमा या रोक देते हैं कि सही जानकारी सही समय पर पहुंचे। इन नियंत्रकों के बीच, हिप्पोकैम्पस के भीतर एक विशिष्ट सीमा पर स्थित न्यूरॉन्स का एक छोटा समूह रहस्य बना हुआ था। वैज्ञानिक जानते थे कि ये कोशिकाएं मौजूद हैं और उनमें से कुछ कॉर्टेक्स (एक क्षेत्र जो उच्च-स्तरीय सोच में शामिल है) को लंबी दूरी के संकेत भेजती हैं, लेकिन उनके पास यह पहचानने के लिए उपकरण नहीं थे कि वास्तव में कौन सी कोशिका कौन सी है या मस्तिष्क के विकास के दौरान ये लंबी दूरी के कनेक्शन कैसे बने।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस छिपे हुए क्षेत्र का मानचित्र तैयार किया है, जिससे यह पता चला है कि इस सीमा पर स्थित अवरोधक न्यूरॉन्स एक एकल समान समूह नहीं हैं, बल्कि अलग-अलग कार्यों वाली विशिष्ट आणविक परिवारों में विभाजित हैं। उन्नत आनुवंशिक उपकरणों और विस्तृत इमेजिंग को जोड़कर, वैज्ञानिकों ने इन कोशिकाओं की दो मुख्य आबादी की पहचान की। एक समूह स्थानीय रहता है, केवल हिप्पोकैम्पस के भीतर संचार करता है, जबकि दूसरा समूह लंबे एक्सोन (axon), या तंत्रिका तंतु भेजता है, जो सीधे रेट्रोस्प्लेनियल कॉर्टेक्स तक जाते हैं, जो मस्तिष्क के पिछले हिस्से में स्थित एक क्षेत्र है और स्थानिक नेविगेशन एवं स्मृति से जुड़ा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि लंबी यात्रा करने वाली कोशिकाओं को Ntng1 नामक एक विशिष्ट प्रोटीन द्वारा चिह्नित किया जाता है, जबकि स्थानीय कोशिकाओं को Syt6 नामक एक अलग प्रोटीन द्वारा चिह्नित किया जाता है। इसके अलावा, उन्होंने पाया कि लंबी दूरी के कनेक्शन जन्म के समय मौजूद नहीं होते हैं; इसके बजाय, इन विशिष्ट कोशिकाओं के एक्सोन एक संकीले समय अंतराल के दौरान बढ़ते हैं और जन्म के तीन से पांच दिन बाद अपने लक्ष्य तक पहुँचते हैं।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं को सबसे पहले इन विशिष्ट कोशिकाओं को स्पष्ट रूप से देखने के तरीके की आवश्यकता थी, क्योंकि वे अन्य प्रकार के न्यूरॉन्स के साथ मिश्रित होती हैं। उन्होंने 'पैच-सीक्वेन्स' (Patch-seq) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो उन्हें एक एकल कोशिका की विद्युत गतिविधि रिकॉर्ड करने और फिर तुरंत उसके जेनेटिक कोड को पढ़ने की अनुमति देती है। इस दृष्टिकोण ने दिखाया कि सीमा पर स्थित कोशिकाएं वास्तव में विविध थीं, लेकिन केवल जेनेटिक डेटा यह बताने के लिए पर्याप्त नहीं था कि कौन सी कोशिका लंबी दूरी की यात्री है। इस अंतर को पाटने के लिए, टीम ने एक नया जेनेटिक टूल बनाया: एक ऐसा माउस मॉडल जहाँ एक विशिष्ट जीन, Cxcl14, इन कोशिकाओं में एक फ्लोरोसेंट मार्कर चालू करने के लिए स्विच के रूप में कार्य करता है। इस माउस को एक ऐसे वायरस के साथ जोड़कर जो केवल अवरोधक न्यूरॉन्स में सक्रिय होता है, वे केवल सीमा की कोशिकाओं को चमका सके और अन्य मस्तिष्क कोशिकाओं के शोर को हटा सके। इसने उन्हें इन विशिष्ट न्यूरॉन्स को अलग करने और विकास के विभिन्न चरणों में उनके जेनेटिक प्रोफाइल का अध्ययन करने की अनुमति दी।

अध्ययन से पता चला कि लंबी दूरी तक संदेश भेजने वाली कोशिकाएं Ntng1 की उपस्थिति से परिभाषित एक विशिष्ट आणविक परिवार से संबंधित हैं। इसकी पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने रेट्रोस्प्लेनियल कॉर्टेक्स में छोटे, चमकते हुए मोतियों (beads) को इंजेक्ट किया। ये मोती तंत्रिका अंतों द्वारा अवशोषित किए जाते हैं और एक्सोन के माध्यम से पीछे की ओर कोशिका शरीर (cell body) तक यात्रा करते हैं। जब उन्होंने हिप्पोकैम्पस में देखा, तो पाया कि मोतियों से चमकने वाली कोशिकाएं हमेशा Ntng1-पॉजिटिव थीं और कभी भी Syt6-पॉजिटिव नहीं थीं। इससे यह सिद्ध हुआ कि Ntng1 कोशिकाएं ही लंबी दूरी के कनेक्शन के लिए जिम्मेदार हैं, जबकि Syt6 कोशिकाएं स्थानीय रहती हैं। टीम ने उन जीनों की भी जांच की जिनका उपयोग ये कोशिकाएं अपने कनेक्शन बनाने के लिए करती हैं, यह पाते हुए कि लंबी दूरी की यात्री कोशिकाएं सतह के प्रोटीनों का एक अनूठा सेट (जैसे Ibsp, Scube1, और Tmem132c) ले जाती हैं, जो संभवतः उनके एक्सोन को सही गंतव्य तक पहुँचाने में मदद करते हैं।

सबसे आश्चर्यजनक खोज इस कनेक्शन का समय था। शोधकर्ताओं ने जन्म के बाद दिन-प्रतिदिन इन एक्सोन की वृद्धि को ट्रैक किया। दो दिन की उम्र में, कोई लंबी दूरी का कनेक्शन दिखाई नहीं दे रहा था। तीसरे दिन, कुछ कोशिकाओं ने संकेत भेजना शुरू कर दिया था, लेकिन पांच दिन के बाद ही यह कनेक्शन लगातार स्थापित हुआ। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क इन विशिष्ट सर्किटों को प्रारंभिक विकास के दौरान एक बहुत ही कड़े, निर्धारित समय के भीतर बनाता है। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि इन कोशिकाओं के जेनेटिक मार्कर स्थिर नहीं हैं; वयस्कों में इन कोशिकाओं को परिभाषित करने वाले कुछ प्रोटीन नवजात शिशुओं में केवल थोड़े समय के लिए मौजूद होते हैं, जो यह दर्शाता है कि इन न्यूरॉन्स की आणविक पहचान परिपक्व होने के साथ बदल जाती है।

इन विशिष्ट कोशिकाओं पर एक स्पष्ट जेनेटिक पकड़ प्रदान करके, शोधकर्ताओं ने इन सर्किटों के संयोजन और कार्य करने के तरीके का अध्ययन करने का मार्ग प्रशस्त किया है। उन्होंने दिखाया है कि मस्तिष्क केवल यादृच्छिक (random) रूप से खुद को नहीं जोड़ता है; इसके बजाय, विशिष्ट आणविक हस्ताक्षर विशिष्ट समूहों के न्यूरॉन्स को सटीक क्षणों में सटीक, लंबी दूरी के कनेक्शन बनाने के लिए निर्देशित करते हैं। यह कार्य हिप्पोकैम्पस की हमारी समझ को एक स्थिर संरचना से एक गतिशील प्रणाली में बदल देता है जहाँ विभिन्न प्रकार के अवरोधक न्यूरॉन्स विशिष्ट भूमिकाएँ निभाते हैं, जिनमें से कुछ स्थानीय नियामक के रूप में कार्य करते हैं और कुछ लंबी दूरी के संदेशवाहक के रूप में, जो स्मृति केंद्र को शेष मस्तिष्क से जोड़ते हैं।