OpenDrive: An Open-Source Microdrive for Large-Scale Neurophysiology

मानव मस्तिष्क को समझने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर व्यक्तिगत मस्तिष्क कोशिकाओं की विद्युत फुसफुसाहटों को सुनते हैं। दशकों तक, इस सुनने के लिए नाजुक, मैनुअल काम की आवश्यकता होती थी, जहाँ शोधकर्ता कुछ न्यूरॉन्स के संकेतों को पकड़ने के लिए एक-एक करके पतले तारों को मस्तिष्क में नीचे उतारते थे। उपकरणों की एक नई पीढ़ी ने इस परिदृश्य को बदल दिया है। ये लंबे, पतले प्रोब (probes) हैं जिनमें सैकड़ों छोटे सेंसर लगे होते हैं, जो मस्तिष्क के गहरे हिस्से से एक साथ हजारों न्यूरॉन्स को रिकॉर्ड करने में सक्षम हैं। यह तकनीक मस्तिष्क की पूरी बातचीत को सुनने का अवसर प्रदान करती है, न कि केवल कुछ अलग-थलग आवाजों को। हालाँकि, ये नए प्रोब नाजुक होते हैं और उन्हें ऐसे स्तर की सटीकता की आवश्यकता होती है जो मानक प्रयोगशाला उपकरण आसानी से प्रदान नहीं कर सकते। उन्हें बिना डगमगाए, सीधा नीचे उतारा जाना चाहिए और घंटों तक बिल्कुल स्थिर रखा जाना चाहिए। एक विशेष उपकरण के बिना जो उन्हें निर्देशित कर सके, प्रोब या मस्तिष्क को नुकसान पहुँचाने का जोखिम अधिक रहता है, और बंदरों जैसे बड़े जानवरों में इन शक्तिशाली उपकरणों का उपयोग करने की क्षमता सीमित बनी हुई है।

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या का समाधान बनाया है जिसे 'ओपनड्राइव' (OpenDrive) कहा जाता है। यह एक कस्टम-मेड मशीन है जिसे विशेष रूप से इन नाजुक प्रोब्स को बड़े जानवरों के मस्तिष्क में अत्यधिक स्थिरता के साथ उतारने के लिए डिज़ाइन किया गया है। टीम ने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो न केवल अत्यधिक सटीक है, बल्कि जिसे कोई भी बना और सुधार सकता है, जो उन महंगे व्यावसायिक मशीनों के बिल्कुल विपरीत है जिन्हें संशोधित करना कठिन होता है। उनका कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक कम लागत वाला, सामुदायिक-निर्मित उपकरण उन महंगे उपकरणों के समान ही अच्छा प्रदर्शन कर सकता है, और कुछ मामलों में उनसे बेहतर भी, जो वर्तमान में वैज्ञानिक उपकरण कंपनियों द्वारा बेचे जाते हैं। अपने डिजाइनों और सॉफ्टवेयर को स्वतंत्र रूप से साझा करके, शोधकर्ता इस वित्तीय और तकनीकी बाधा को हटाने की उम्मीद करते हैं जिसने कई प्रयोगशालाओं को इस परिवर्तनकारी तकनीक का उपयोग करने से रोक रखा है।

ओपनड्राइव सिस्टम के दो मुख्य भाग हैं: एक कंट्रोल कंसोल और स्वयं माइक्रोड्राइव। कंसोल ऑपरेशन के मस्तिष्क के रूप में कार्य करता है, जो कंप्यूटर स्क्रीन से कमांड प्राप्त करता है और उन्हें ड्राइव्स तक भेजता है। ड्राइव्स छोटे, हल्के मोटर होते हैं जो भौतिक रूप से प्रोब्स को ऊपर और नीचे उठाते हैं। जो चीज़ इस डिज़ाइन को अद्वितीय बनाती है वह इसकी सरलता और स्थिरता पर ध्यान केंद्रित करना है। ड्राइव्स को एक सीधे धातु के रेल (rail) के चारों ओर बनाया गया है, जो स्लाइडिंग दराजों में उपयोग किए जाने वाले चिकने ट्रैक के समान है, जो प्रोब को एक बिल्कुल सीधी रेखा में चलने के लिए मजबूर करता है। यह डिज़ाइन मस्तिष्क में प्रवेश करते समय प्रोब को झूलने या घूमने से रोकता है। पूरा ड्राइव केवल लगभग 30 ग्राम का है, जो एक छोटे सेब के वजन के बराबर है, जो रिकॉर्डिंग के दौरान जानवर के सिर को हिलने से रोकने में मदद करता है। सिस्टम को एक साथ कई प्रोब्स को थामने के लिए भी डिज़ाइन किया गया है; शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक एक ही जानवर के मस्तिष्क में एक साथ नौ प्रोब्स तक सफलतापूर्वक उतारे हैं, जिससे वे एक ही समय में कई अलग-अलग मस्तिष्क क्षेत्रों को सुनने में सक्षम होते हैं।

यह सिद्ध करने के लिए कि उनकी मशीन ने काम किया, टीम ने दो लोकप्रिय व्यावसायिक मशीनों के विरुद्ध ओपनड्राइव को कठोर परीक्षणों से गुजारा। उन्होंने प्रत्येक मशीन के चलते हुए भाग से एक लेजर लगाया और देखा कि मशीन को नीचे उतारते समय लेजर बीम सेंसर पर कहाँ गिरी। यदि मशीन डगमगाती, तो लेजर डॉट एक बड़े घेरे में नाचता। व्यावसायिक मशीनों ने महत्वपूर्ण डगमगाहट दिखाई, जहाँ लेजर डॉट पथ से काफी भटक गया था। इसके विपरीत, ओपनड्राइव ने लेजर डॉट को लगभग पूरी तरह से स्थिर रखा, जो 3 माइक्रोमीटर से कम चला। इसका अर्थ है कि नए मशीन ने व्यावसायिक विकल्पों की तुलना में अगल-बगल के हिलने-डुलने को 95 प्रतिशत से अधिक कम कर दिया। टीम ने यह भी मापा कि मशीन कितनी सटीकता से एक निश्चित दूरी तक चलती है। उन्होंने पाया कि ओपनड्राइव उतनी ही सटीक थी जितनी कि सबसे अच्छी व्यावसायिक मशीन, और दूसरी की तुलना में कहीं अधिक सटीक थी, जिसमें त्रुटियां इतनी कम थीं कि उन्हें मुश्किल से मापा जा सकता था।

प्रयोगशाला परीक्षणों से परे, शोधकर्ताओं ने रिसस बंदर (rhesus monkey) के साथ वास्तविक प्रयोगों में ओपनड्राइव का उपयोग किया। उन्होंने थैलमस और सेरिबैलम जैसे गहरे संरचनाओं के साथ-साथ मस्तिष्क की बाहरी परतों सहित मस्तिष्क के विभिन्न हिस्सों में सफलतापूर्वक प्रोब्स उतारे। इन सत्रों में, मशीन ने प्रोब्स को घंटों तक स्थिर रखा, जिससे टीम को हजारों न्यूरॉन्स की गतिविधि को रिकॉर्ड करने में मदद मिली बिना संकेतों के फोकस से बाहर हुए। सिस्टम में एक सॉफ्टवेयर भी शामिल है जो शोधकर्ताओं को वास्तविक समय में यह देखने की अनुमति देता है कि प्रोब मस्तिष्क के भीतर कहाँ है, जो प्रोब के पथ को जानवर के मस्तिष्क के 3D मानचित्र पर ओवरले (overlay) करता है। यह दृश्य मार्ग वैज्ञानिकों को आत्मविश्वास के साथ विशिष्ट लक्ष्यों को लक्षित करने में मदद करता है।

इस कार्य का महत्व केवल मशीन के प्रदर्शन तक ही सीमित नहीं है। वर्षों से, इस तरह के शोध के लिए आवश्यक उपकरण महंगे और बंद रहे हैं, जिसका अर्थ है कि यदि कोई प्रयोगशाला किसी भाग को बदलना चाहती या किसी समस्या को ठीक करना चाहती, तो उसे निर्माता की प्रतीक्षा करनी पड़ती या एक नया, महंगा यूनिट खरीदना पड़ता। ओपनड्राइव अलग है क्योंकि इसका हर हिस्सा 'ओपन सोर्स' है। ब्लूप्रिंट, कोड और निर्देश सभी डाउनलोड करने, बनाने और सुधारने के लिए उपलब्ध हैं। एक पूर्ण सिस्टम बनाने की कुल लागत लगभग 5,000 डॉलर है, जो 50,000 डॉलर के तुलनीय व्यावसायिक सिस्टमों का एक छोटा सा हिस्सा है। इन उपकरणों को सुलभ और परिवर्तनीय बनाकर, शोधकर्ता वैश्विक वैज्ञानिक समुदाय को हार्डवेयर पर सहयोग करने के लिए आमंत्रित कर रहे हैं। उनका मानना ​​है कि जब वैज्ञानिक अपने उपकरणों को खुले तौर पर साझा और सुधार सकते हैं, तो खोज की गति तेज हो जाती है, जिससे अधिक प्रयोगशालाएं उपलब्ध सबसे उन्नत तकनीक के साथ मस्तिष्क की जटिल कार्यप्रणाली का पता लगा सकती हैं।