Modeling circadian rhythm splitting under chronic light and the asymmetric transition kinetics between lighting conditions

प्रत्येक जीवित प्राणी, एक छोटे से चूहे से लेकर मनुष्य तक, एक आंतरिक घड़ी लेकर चलता है जो लगभग चौबीस घंटों की लय के साथ चलती है। यह जैविक समयपालक, जिसे सर्केडियन रिदम (circadian rhythm) के रूप में जाना जाता है, यह निर्धारित करता है कि हम कब सोते हैं, कब खाते हैं और हमारा शरीर कब सबसे अधिक सतर्क होता है। स्तनधारियों में, यह मास्टर क्लॉक मस्तिष्क के भीतर एक बहुत ही सूक्ष्म, युग्मित संरचना में स्थित होती है जिसे सुप्राकियास्मैटिक न्यूक्लियस (suprachiasmatic nucleus) या SCN कहा जाता है। सामान्य परिस्थितियों में, जब हर दिन सूरज उगता और डूबता है, तो इस संरचना के दोनों हिस्से पूर्ण सामंजस्य में काम करते हैं, जिससे शरीर के बाकी हिस्सों को एक स्थिर दैनिक चक्र बनाए रखने के लिए एक एकल, समन्वित संकेत भेजा जाता है। हालाँकि, जब जानवरों को हफ्तों या महीनों तक निरंतर, अनवरत प्रकाश के संपर्क में रखा जाता है, तो कुछ अजीब होता है: उनकी गतिविधि की एकल दैनिक अवधि दो अलग-अलग दौरों में विभाजित हो जाती है, जो लगभग बारह घंटों के अंतराल पर होते हैं। जानवर ऐसा व्यवहार करने लगता है जैसे कि एक ही चौबीस घंटे के चक्र के भीतर उसके दो दिन और दो रात हों। दशकों से, वैज्ञानिकों ने कई प्रजातियों में इस घटना को देखा है, जिसे "स्प्लिटिंग" (splitting) कहा जाता है, फिर भी वह सटीक तंत्र जिसके कारण मस्तिष्क अपनी समयkeeping प्रक्रिया को खंडित कर देता है, एक रहस्य बना हुआ है।

शोधकर्ता अलेक्जेंडर गोल्टसेव और जोस मेंडेस का एक नया अध्ययन इस पहेलीनुमा व्यवहार की विस्तृत व्याख्या प्रदान करता है, जिसमें यह सुझाव दिया गया है कि यह विभाजन कोई खराबी नहीं है, बल्कि इस बात का एक परिष्कृत पुनर्गठन है कि मस्तिष्क के दो हिस्से आपस में कैसे संवाद करते हैं। वैज्ञानिकों ने विभिन्न प्रकाश स्थितियों के तहत SCN के न्यूरॉन्स कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसका अनुकरण करने के लिए एक कंप्यूटर मॉडल बनाया। उन्होंने मस्तिष्क की इस संरचना को दो लोब (lobes), बाएं और दाएं, के रूप में माना, जिनमें से प्रत्येक में कोशिकाओं के दो विशिष्ट समूह थे: एक वेंट्रल कोर (ventral core) और एक डोर्सल शेल (dorsal shell)। अंधेरे में, ये समूह रासायनिक संकेतों का उपयोग करके एक-दूसरे से बात करते हैं जो उन्हें एक साथ कार्य करने के लिए प्रोत्साहित करते हैं, जिससे पूरा सिस्टम तालमेल बनाए रखता है। शोधकर्ताओं का प्रस्ताव है कि जब किसी जानवर को निरंतर प्रकाश में रखा जाता है, तो इन संकेतों की रासायनिक प्रकृति बदल जाती है। एकता को बढ़ावा देने के बजाय, संकेत समूहों को एक-दूसरे से दूर धकेलने लगते हैं, जिससे मस्तिष्क के बाएं और दाएं हिस्से विपरीत चरणों (phases) में दोलन करने के लिए मजबूर हो जाते हैं। एक हिस्सा सक्रिय होता है जबकि दूसरा विश्राम करता है, और फिर वे बारह घंटे बाद अपनी भूमिकाएं बदल लेते हैं। चूंकि मस्तिष्क के शेल क्षेत्र शरीर के बाकी हिस्सों को समय के संकेत भेजने के लिए जिम्मेदार होते हैं, इसलिए यह आगे-पीछे का बदलाव विभाजित जानवरों में देखी जाने वाली गतिविधि के दो अलग-अलग शिखर (peaks) बनाता है।

इस 'फ्लिप-फ्लॉप' का मुख्य कारण न्यूरॉन्स के भीतर एक सूक्ष्म स्विच है जो यह नियंत्रित करता है कि वे GABA नामक एक सामान्य न्यूरोट्रांसमीटर के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। सामान्यतः, GABA एक ब्रेक की तरह कार्य करता है, न्यूरॉन्स को शांत करता है। हालाँकि, GABA का प्रभाव कोशिका की सतह पर विशिष्ट नमक पहुँचाने वाले प्रोटीनों (salt-transporting proteins) के संतुलन पर निर्भर करता है। अंधेरे में, ये प्रोटीन इस तरह व्यवस्थित होते हैं कि GABA एक उत्तेजक (stimulant) के रूप में कार्य करता है, जिससे मस्तिष्क के दोनों हिस्से तालमेल बिठा पाते हैं। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि निरंतर प्रकाश में, इन प्रोटीनों की अभिव्यक्ति समय के साथ बदल जाती है, जिससे कोशिका की आंतरिक रसायन विज्ञान बदल जाता है। यह परिवर्तन GABA को एक उत्तेजक से एक अवरोधक (suppressor) में बदल देता है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि रासायनिक ध्रुवता (chemical polarity) में यह बदलाव ही मस्तिष्क के लोब्स के बीच के संबंधों को उलट देता है, जिससे एक सहकारी संबंध एक प्रतिस्पर्धी संबंध में बदल जाता है जहाँ दोनों पक्ष प्रभुत्व के लिए लड़ते हैं, जिसके परिणामस्वरूप विभाजित लय उत्पन्न होती है।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने विभिन्न स्थितियों के तहत SCN के व्यवहार का अनुकरण किया। जब उन्होंने मॉडल को निरंतर अंधकार की नकल करने के लिए सेट किया, तो दोनों लोब पूरी तरह से तालमेल बिठाकर एक एकल, स्थिर लय उत्पन्न करते थे। जब उन्होंने प्रकाश-प्रेरित रासायनिक परिवर्तनों को पेश किया, तो मॉडल स्वतः ही विभाजित हो गया, जिसमें बाएं और दाएं लोब विपरीत दिशाओं में चलने लगे। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह विभाजित अवस्था ठीक बारह घंटे के अंतराल पर दो गतिविधि शिखर उत्पन्न करती है, जो वास्तविक दुनिया के अवलोकनों से मेल खाती है। मॉडल ने उस स्थिति को भी पुनरुत्पादित किया जब मस्तिष्क के एक हिस्से को नुकसान पहुँचता है। उन प्रयोगों में जहाँ SCN के एक लोब को नष्ट कर दिया जाता है, विभाजित लय गायब हो जाती है, और शेष स्वस्थ लोब नियंत्रण ले लेता है, जिससे जानवर वापस एक एकल, एकीकृत दैनिक चक्र में लौट आता है। कंप्यूटर मॉडल ने इस परिणाम को भी दोहराया, यह दिखाते हुए कि दूसरे विरोधी लोब के बिना, जो प्रतिस्पर्धा करने वाला था, शेष हिस्सा एक सामान्य, एकल-दौर वाली लय में स्थिर हो जाता है। यह पुष्टि करता है कि विभाजित अवस्था दो लोब्स के बीच की परस्पर क्रिया का परिणाम है, न कि किसी एक लोब के भीतर की कोई त्रुटि।

विभाजित लय का सबसे दिलचस्प पहलू यह है कि इसे प्रकट होने में कितना समय लगता है और यह कितनी जल्दी गायब हो जाती है। जब किसी जानवर को पहली बार निरंतर प्रकाश में ले जाया जाता है, तो लय के विभाजित होने में तीस से सौ से अधिक दिन लग सकते हैं। फिर भी, यदि जानवर को वापस अंधेरे में लाया जाता है, तो विभाजन कुछ ही दिनों में गायब हो जाता है। यदि जानवर को फिर से निरंतर प्रकाश में लाया जाता है, तो विभाजन पहली बार की तुलना में बहुत तेजी से प्रकट होता है। शोधकर्ताओं ने इस देरी को समझाने के लिए अपने मॉडल में नमक पहुँचाने वाले प्रोटीनों के बदलने की धीमी, जैविक प्रक्रिया को शामिल किया। उन्होंने पाया कि इन प्रोटीनों के निर्माण या टूटने में लगने वाला समय स्वाभाविक रूप से विभाजन की धीमी शुरुआत और तीव्र रिकवरी की व्याख्या करता है। मॉडल बताता है कि सिस्टम में एक प्रकार की जड़ता (inertia) होती है; स्विच को पलटने के लिए रासायनिक वातावरण को बदलने में लंबा समय लगता है, लेकिन एक बार स्विच पलट जाने के बाद, प्रकाश हटाने पर सिस्टम तेजी से वापस सामान्य हो सकता है। यह गतिज विषमता (kinetic asymmetry), जहाँ विभाजन का मार्ग धीमा है लेकिन वापसी का मार्ग तेज है, इस बात का सीधा परिणाम है कि कोशिकाएं अपने आंतरिक रसायन विज्ञान का प्रबंधन कैसे करती हैं।

अध्ययन ने विभाजन के विशिष्ट समय का भी अन्वेषण किया। विभाजित अवस्था में, प्रत्येक व्यक्तिगत लोब के भीतर कोर और शेल क्षेत्र भी एक-दूसरे के साथ थोड़े असंतुलित होते हैं, लेकिन सबसे नाटकीय प्रभाव बाएं और दाएं लोब के बीच का विरोध है। मॉडल ने दिखाया कि शेल क्षेत्र, जो शरीर के व्यवहार को नियंत्रित करते हैं, ऐसे संकेत भेजते हैं जो ठीक बारह घंटे के अंतर पर होते हैं। इसका अर्थ यह है कि जबकि मस्तिष्क का बायां हिस्सा "दिन" का संकेत दे रहा है, दायां हिस्सा "रात" का संकेत दे रहा है, और इसके विपरीत। इन दो विपरीत संकेतों का संयोजन देखे गए गतिविधि के दो-शिखर वाले पैटर्न को बनाता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह विभाजित अवस्था तब तक स्थिर और आत्म-रक्षित रहती है जब तक निरंतर प्रकाश जारी रहता है, लेकिन यह नाजुक है; प्रकाश हटाने या एक लोब को नुकसान पहुँचाने पर तुरंत एकल, एकीकृत लय बहाल हो जाती है।

यह कार्य एक ऐसी घटना के लिए ठोस, जैव-भौतिक (biophysical) स्पष्टीकरण प्रदान करता है जिसे साठ वर्षों से देखा जा रहा है। व्यक्तिगत न्यूरॉन्स के भीतर नमक परिवहन के सूक्ष्म परिवर्तनों को पशु के स्थूल व्यवहार से जोड़कर, शोधकर्ताओं ने प्रकाश, रसायन विज्ञान और समयkeeping के बीच की कड़ियों को जोड़ दिया है। उनका सुझाव है कि मस्तिष्क निरंतर प्रकाश के तहत केवल टूटता नहीं है, बल्कि अपने आंतरिक संचार नेटवर्क को पुनर्गठित करके अनुकूलित होता है। एक सहकारी, उत्तेजक मोड से प्रतिस्पर्धी, निरोधात्मक मोड में परिवर्तन मस्तिष्क के दो हिस्सों को अपना स्वयं का लय बनाए रखने की अनुमति देता है, जबकि उन्हें एक एकल, अराजक संकेत में ढहने से रोकता है। हालांकि मॉडल एक सिमुलेशन है और यह इस बारे में धारणाओं पर निर्भर करता है कि कुछ प्रोटीन कैसे व्यवहार करते हैं, यह चूहों और मूषकों के प्रयोगात्मक डेटा के साथ निकटता से मेल खाता है, जो यह समझने के लिए एक सम्मोहक ढांचा प्रदान करता है कि मस्तिष्क की मास्टर क्लॉक कितनी लचीली हो सकती है। ये निष्कर्ष सर्केडियन प्रणाली की प्लास्टिसिटी (plasticity) को उजागर करते हैं, यह दिखाते हुए कि हमारी आंतरिक समयkeeping एक कठोर मशीन नहीं है, बल्कि एक गतिशील नेटवर्क है जो पर्यावरण के जवाब में गहन पुनर्गठन करने में सक्षम है।