Increased activity without changes in coupling between somata and apical dendrites during visual mismatches
माउस विजुअल कॉर्टेक्स में ड्यूल-प्लेन 2-फोटोन इमेजिंग का उपयोग करने वाला यह अध्ययन प्रकट करता है कि जबकि प्राकृतिक फिल्मों में अप्रत्याशित उत्क्रमण (reversals) पिरामिडल न्यूरॉन्स के एपिकल डेंड्राइट्स और सोमा दोनों में बढ़ी हुई गतिविधि को प्रेरित करते हैं, यह मिसमैच संवेदनशीलता कृत्रिम गैबोर उद्दीपनों (Gabor stimuli) के लिए अनुपस्थित है और इसमें डेंड्रिटिक और सोमैटिक कंपार्टमेंट्स के बीच कपलिंग में परिवर्तन शामिल नहीं है।
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मस्तिष्क एक निष्क्रिय कैमरा नहीं है जो दुनिया को वैसा ही रिकॉर्ड करता है जैसा वह दिखाई देती है। इसके बजाय, यह एक सक्रिय भविष्यवक्ता है, जो अतीत से सीखी गई हर चीज़ के आधार पर इस बारे में अनुमान लगाता रहता है कि आगे क्या होने वाला है। जब आप कॉफी कप की ओर हाथ बढ़ाते हैं, तो आपका मस्तिष्क आपके हाथ के हिलने से पहले ही उसके वजन और स्थिति का अनुमान लगा चुका होता है। इन आने वाले संवेदी डेटा की अपने आंतरिक अपेक्षाओं के साथ तुलना करने की यह क्षमता इस बात का एक मौलिक सिद्धांत है कि कॉर्टेक्स (मस्तिष्क की बाहरी परत) कैसे कार्य करता है। वैज्ञानिकों को लंबे समय से संदेह रहा है कि जब वास्तविकता इन भविष्यवाणियों से मेल नहीं खाती, तो मस्तिष्क त्रुटि को चिह्नित करने के लिए एक विशिष्ट संकेत उत्पन्न करता है। हालाँकि, यह सिद्ध करना कठिन रहा है कि यह वास्तव में कैसे होता है, क्योंकि मस्तिष्क इन संकेतों को जटिल तरीकों से संसाधित करता है, जिसमें अक्सर एक ही तंत्रिका कोशिका के विभिन्न भाग एक ही समय में मिलकर काम करते हैं।
इस प्रक्रिया को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने पिरामिडल न्यूरॉन पर ध्यान केंद्रित किया, जो मस्तिष्क की एक सामान्य प्रकार की कोशिका है जिसका आकार पिरामिड जैसा होता है। इन कोशिकाओं का एक मुख्य शरीर होता है, जिसे सोमा (soma) कहा जाता है, जो एक कमांड सेंटर के रूप में कार्य करता है, और एक लंबा, शाखित हाथ होता है जिसे एपिकल डेंड्राइट (apical dendrite) कहा जाता है जो सूचना प्राप्त करने के लिए दूर तक पहुँचता है। कुछ सिद्धांत सुझाव देते हैं कि डेंड्राइट मस्तिष्क के अन्य हिस्सों से "टॉप-डाउन" (ऊपर से नीचे) भविष्यवाणियाँ प्राप्त करता है, जबकि सोमा इंद्रियों से "बॉटम-अप" (नीचे से ऊपर) डेटा प्राप्त करता है। विचार यह है कि कोशिका सूचना के इन दो प्रवाहों की तुलना करके विसंगति का पता लगाती है। यदि भविष्यवाणी गलत है, तो कोशिका अलग तरह से सक्रिय हो सकती है या इस तरह बदल सकती है कि उसके हिस्से एक-दूसरे से कैसे बात करते हैं। बड़ा सवाल यह था कि क्या यह तुलना एक ही कोशिका के भीतर होती है, और यदि ऐसा है, तो क्या कोशिका का शरीर और उसका लंबा हाथ किसी आश्चर्य के समय समन्वित तरीके से प्रतिक्रिया करते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने चूहों का उपयोग करके वास्तविक समय में इस प्रक्रिया को देखने का प्रयास किया। वे देखना चाहते थे कि क्या वे इन कोशिकाओं को आश्चर्य का पता लगाते हुए पकड़ सकते हैं, और विशेष रूप से, क्या आश्चर्य के कारण कोशिका का शरीर और उसका लंबा हाथ एक साथ या अलग-अलग सक्रिय होते हैं। ऐसा करने के लिए, उन्होंने एक परिष्कृत सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया जो जागते हुए, चलते-फिरते चूहों के मस्तिष्क की गहराई में देख सकता था। उन्होंने विजुअल कॉर्टेक्स पर ध्यान केंद्रित किया, जो मस्तिष्क का वह हिस्सा है जो आँखों द्वारा देखी जाने वाली चीजों को संसाधित करता है। उन्होंने चूहों को छवियों के विशिष्ट अनुक्रमों को देखने के लिए प्रशिक्षित किया जब तक कि जानवर उनके अभ्यस्त नहीं हो गए, जिसका अर्थ है कि उन्होंने चूहों को क्या उम्मीद करनी है, यह सिखा दिया। फिर, शोधकर्ताओं ने अनुक्रमों में अप्रत्याशित परिवर्तन किए ताकि यह देखा जा सके कि मस्तिष्क कैसे प्रतिक्रिया देता है।
प्रयोग में दो बहुत ही अलग प्रकार के दृश्य उद्दीपनों (visual stimuli) का उपयोग किया गया। पहले, चूहों ने प्राकृतिक दृश्यों के छोटे क्लिप देखे, जैसे मिट्टी में रेंगते हुए कीड़े या बाहर दौड़ते हुए चूहे। ये क्लिप आगे की ओर चलाए गए जब तक कि चूहे अभ्यस्त नहीं हो गए, और फिर, अप्रत्याशित रूप से, क्लिप का एक हिस्सा उल्टा (reverse) चलाया गया। इस उलटफेर ने समय और गति के प्राकृतिक प्रवाह को तोड़ दिया, जिससे जीव के लिए वास्तविक आश्चर्य पैदा हुआ। दूसरा, चूहों को सरल, कृत्रिम आकृतियों के अनुक्रम दिखाए गए जिन्हें गाबोर पैच (Gabor patches) कहा जाता है, जो मूल रूप से विशिष्ट कोणों पर प्रकाश की धुंधली पट्टियाँ हैं। ये पैच एक अनुमानित पैटर्न में बदलते थे, और फिर, अप्रत्याशित रूप से, एक पैच घूमकर दूसरे कोण पर चला गया। शोधकर्ताओं ने सेल बॉडी और डेंड्राइट्स के दूरस्थ सिरों दोनों से गतिविधि को रिकॉर्ड करने के लिए एक ड्यूल-प्लेन माइक्रोस्कोप का उपयोग किया। इसने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि क्या कोशिका के दो भाग आश्चर्य होने पर तालमेल में प्रतिक्रिया करते हैं।
प्राकृतिक मूवी क्लिप्स के लिए परिणाम स्पष्ट और प्रभावशाली थे। जब वीडियो अचानक उल्टा हो गया, तो विजुअल कॉर्टेक्स के न्यूरॉन्स ने तब की तुलना में अधिक तीव्रता से काम किया जब वही क्लिप पूरी तरह से उल्टे, गैर-आश्चर्यजनक क्रम में चलाई गई थी। यह बढ़ी हुई गतिविधि इस बात का संकेत थी कि मस्तिष्क ने अपनी अपेक्षा और जो उसने देखा, उसके बीच की विसंगति का पता लगा लिया था। महत्वपूर्ण रूप से, यह प्रतिक्रिया कोशिका शरीर और एपिकल डेंड्राइट्स दोनों में हुई। कोशिका के दोनों भागों ने बढ़ी हुई गतिविधि दिखाई, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके बीच का संबंध या "कपलिंग" (coupling) आश्चर्य के दौरान बदला नहीं था। यह पैटर्न विजुअल कॉर्टेक्स की विभिन्न परतों और मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों में सुसंगत था। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि यह प्रतिक्रिया तब सबसे मजबूत थी जब चूहों ने पहली बार रिवर्सल का सामना किया और जैसे-जैसे चूहों को कई दिनों तक बार-बार इस आश्चर्य के संपर्क में लाया गया, यह धीरे-धीरे कम होती गई, जो यह दर्शाता है कि मस्तिष्क नए पैटर्न को अपनी अपेक्षाओं में शामिल करना सीख रहा है।
हालाँकि, कहानी पूरी तरह से बदल गई जब शोधकर्ताओं ने कृत्रिम गाबोर पैच का उपयोग किया। प्रयोग के सावधानीपूर्वक डिजाइन के बावजूद, चूहों ने सरल आकृतियों के कोण में अप्रत्याशད་ परिवर्तन के प्रति आश्चर्य के समान स्पष्ट संकेत नहीं दिखाए। साधारण पैटर्न के गलत कोण के जवाब में न्यूरॉन्स ने महत्वपूर्ण रूप से अधिक सक्रियता नहीं दिखाई। शोधकर्ताओं ने कई वैकल्पिक स्पष्टीकरणों को खारिज कर दिया, जैसे कि कोशिकाओं का बार-बार देखने से थक जाना या नए आकार के प्रति प्रतिक्रिया करना। डेटा से पता चलता है कि दृश्य प्रणाली प्राकृतिक दृश्यों के जटिल, निरंतर प्रवाह के लिए अत्यधिक ट्यून की गई है, लेकिन वह सरल, कृत्रिम पैटर्न के साथ उसी तरह व्यवहार नहीं करती है। मस्तिष्क की अपेक्षाएँ प्राकृतिक दुनिया के सांख्यिकी पर आधारित होती हैं, और जब उनकी अपेक्षाओं का उल्लंघन अमूर्त, मानव-निर्मित पैटर्न द्वारा किया जाता है, तो वह उसी तरह का एरर सिग्नल (त्रुटि संकेत) उत्पन्न करने में संघर्ष करता है।
सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष इस बात से संबंधित था कि न्यूरॉन के विभिन्न हिस्से एक-दूसरे के साथ कैसे संवाद करते हैं। कई सिद्धांतों ने भविष्यवाणी की थी कि जब विसंगति होती है, तो सेल बॉडी और डेंड्राइट के बीच का संबंध बदल जाएगा, शायद एरर सिग्नल को सुगम बनाने के लिए मजबूत या कमजोर हो जाएगा। शोधकर्ताओं ने डेंड्राइट में गतिविधि कितनी मजबूती से सेल बॉडी की गतिविधि से जुड़ी (coupled) है, इसे मापकर इस प्रमाण की तलाश की। उन्होंने पाया कि आश्चर्य के दौरान इस कपलिंग में कोई बदलाव नहीं हुआ। विसंगति के दौरान भी कोशिका के दो भाग उतने ही जुड़े रहे जितने कि एक सामान्य, अपेक्षित अनुक्रम के दौरान थे, जिसका अर्थ है कि मस्तिष्क ने त्रुटि को संकेत देने के लिए इन दो हिस्सों के बीच बातचीत के अचानक बदलाव पर निर्भर नहीं किया। इसके बजाय, पूरी कोशिका बस एक एकीकृत तरीके से अधिक सक्रिय हो जाती है जब वह प्राकृतिक दुनिया में विचलन का पता लगाती है।
ये निष्कर्ष दुनिया को देखने के हमारे तरीके पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करते हैं। वे पुष्टि करते हैं कि विजुअल कॉर्टेक्स प्राकृतिक पैटर्न से विचलन के प्रति संवेदनशील है, और जब वास्तविकता का प्रवाह बाधित होता है, तो एक मजबूत संकेत उत्पन्न करता है। फिर भी, वे यह भी दिखाते हैं कि यह संवेदनशीलता सभी प्रकार के आश्चर्यों के प्रति एक सार्वभौमिक प्रतिक्रिया नहीं है; यह उन जटिल, गतिशील इनपुट के लिए विशिष्ट है जिन्हें संभालने के लिए मस्तिष्क विकसित हुआ है। इसके अलावा, यह अध्ययन इस विचार को चुनौती देता है कि मस्तिष्क का त्रुटि-पहचान तंत्र एक एकल न्यूरॉन के हिस्सों के बीच परस्पर क्रिया के नाटकीय पुनर्गठन पर निर्भर करता है। इसके बजाय, मस्तिष्क संचार के एक अधिक वितरित और स्थिर रूप का उपयोग करता है, जहाँ पूरी कोशिका बस यह सूचित करने के लिए जाग उठती है कि प्राकृतिक दुनिया में कुछ गलत हो गया है। यह कार्य भविष्यवाणी के पीछे की जैविक मशीनरी को स्पष्ट करने में मदद करता है, यह दिखाते हुए कि हमारा मस्तिष्क प्रकृति की लय के लिए सूक्ष्म रूप से ट्यून किया गया है, लेकिन शायद कृत्रिम डिजाइन के कठोर पैटर्न के लिए उतना नहीं।
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