Combining ultra-flexible electrodes with two-photon imaging to illuminate brain-wide neural dynamics
यह शोध पत्र चूहों में सबकोर्टिकल (उपकोर्टिकल) और कॉर्टिकल तंत्रिका गतिविधि को एक साथ रिकॉर्ड करने के लिए क्रोनिक रूप से प्रत्यारोपित अल्ट्रा-फ्लेक्सिबल इलेक्ट्रोडों और टू-फोटॉन कैल्शियम इमेजिंग का उपयोग करते हुए एक संयुक्त दृष्टिकोण प्रस्तुत करता है, जो धीमी मस्तिष्क अवस्थाओं और तेज़ रिपल घटनाओं (फास्ट रिपल इवेंट्स) के माध्यम से मस्तिष्क-व्यापी गतिकी की जांच को सक्षम बनाता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
मस्तिष्क की कल्पना एक विशाल, हलचल भरे शहर के रूप में करें जो कभी सोता नहीं है। इस शहर के काम करने के तरीके को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को इसके विभिन्न मोहल्लों में हो रही बातचीत को सुनने की आवश्यकता होती है। लंबे समय तक, शोधकर्ताओं के पास चुपके से सुनने के दो मुख्य तरीके थे। एक तरीका किसी विशिष्ट सड़क के कोने पर एक सुपर-फास्ट, हाई-टेक माइक्रोफ़ोन रखने जैसा था; यह अविश्वसनीय गति के साथ बोला गया हर एक शब्द (व्यक्तिगत तंत्रिका कोशिका स्पाइक्स) सुन सकता था, लेकिन यह कठोर था और एक समय में केवल एक छोटे से क्षेत्र को ही सुन सकता था। दूसरा तरीका पूरे शहर को ऊपर से देखने के लिए एक विशाल, स्लो-मोशन ड्रोन कैमरे का उपयोग करने जैसा था; यह यातायात के प्रवाह और पूरे जिलों (कोशिकाओं के समूहों) के मिजाज को देख सकता था और यहाँ तक कि यह भी पहचान सकता था कि कौन सी तरह की कार कौन चला रहा है (विशिष्ट कोशिका प्रकार), लेकिन यह बोले गए व्यक्तिगत शब्दों को नहीं सुन सकता था।
बड़ी चुनौती यह थी कि ये दोनों उपकरण आपस में तालमेल नहीं बिठा पाते थे। कठोर माइक्रोफ़ोन बहुत भारी थे और उन्हें ड्रोन के दृश्य को बाधित किए बिना लगाना कठिन था, और अक्सर जब ड्रोन की चमकदार रोशनी उन पर पड़ती थी, तो वे "स्थिरता" या हस्तक्षेप (static) पैदा करते थे। इसका मतलब था कि वैज्ञानिकों को चुनना पड़ता था: या तो वे शहर के गहरे हिस्सों में तेज़, विस्तृत बातचीत सुनें, या सतह के धीमे, बड़े-चित्र वाले मिजाज को देखें, लेकिन शायद ही कभी दोनों को एक ही समय में कर सकें। मस्तिष्क के गहरे हिस्सों और सतह के हिस्सों के बीच कैसे बातचीत होती है, इसे समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमें यह समझने में मदद करता है कि हम कैसे सीखते हैं, चीजें याद रखते हैं, और हमारा मस्तिष्क कभी-कभी बीमार क्यों हो जाता है।
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक नया उपकरण बनाया। उन्होंने "अल्ट्रा-फ्लेक्सिबल टेंटेकल इलेक्ट्रोड्स" (UFTEs) बनाए, जो विशेष सामग्री से बनी अविश्वसनीय रूप से पतली, नरम और लचीली डोरियों की तरह हैं। इन्हें अविश्वसनीय रूप से पतली, नरम और मुड़ने वाली डोरियों के रूप में सोचें। इन्हें विशेष रूप से मस्तिष्क के गहरे, अंधेरे सुरंगों में बिना पानी को विचलित किए धीरे से उतारा जा सकने वाले भूतिया, अदृश्य मछली पकड़ने वाले धागों की तरह समझें। क्योंकि वे इतने नरम और पतले हैं, वे ड्रोन कैमरे के दृश्य को नहीं रोकते हैं, और वे इतने शांत हैं कि कैमरे की चमकदार रोशनी से रिकॉर्डिंग पर कोई स्टैटिक शोर नहीं होता है।
शोधकर्ताओं ने इस नए सेटअप का परीक्षण जागते हुए और घूमते हुए चूहों पर किया। उन्होंने मस्तिष्क के गहरे हिस्सों में इन लचीली डोरियों को लगाया ताकि थैलेमस (एक रिले स्टेशन), हिप्पोकैम्पस (एक स्मृति केंद्र), और कॉर्टेक्स (सोचने की प्रक्रिया वाला बाहरी हिस्सा) की बातें सुनी जा सकें। साथ ही, उन्होंने सतह के न्यूरॉन्स को देखने के लिए एक टू-फोटोन माइक्रोस्कोप (ड्रोन कैमरा) का उपयोग किया, जिन्हें सक्रिय होने पर चमकने के लिए आनुवंशिक रूप से संशोधित किया गया था।
परिणाम प्रभावशाली थे। लचीली डोरियां हफ्तों तक अपनी जगह पर टिकी रहीं, जिससे टीम को एक ही व्यक्तिगत तंत्रिका कोशिका को बार-बार ट्रैक करने की अनुमति मिली। उन्होंने पाया कि इन डोरियों से माइक्रोस्कोप की रोशनी से लगभग कोई हस्तक्षेप नहीं हुआ; "स्टैटिक" इतना कम था (लगभग 3.7 माइक्रोवोल्ट) कि वह वास्तविक मस्तिष्क संकेतों की तुलना में लगभग अदृश्य था। इसने वैज्ञानिकों को मस्तिष्क को उस तरह से देखने की अनुमति दी जैसा वे पहले कभी नहीं देख सके थे: गहरे मस्तिष्क की कोशिकाओं की तेज़, सटीक बातचीत सुनते हुए और साथ ही सतह की कोशिकाओं के चमकते हुए, स्लो-मोशन नृत्य को देखते हुए।
इस संयुक्त दृश्य का उपयोग करते हुए, टीम ने खोजा कि चूहा क्या कर रहा है, इसके आधार पर मस्तिष्क के विभिन्न हिस्से एक-दूसरे से कैसे बात करते हैं। जब चूहा दौड़ रहा होता या सतर्क होता, तो गहरे मस्तिष्क के क्षेत्र और सतह के क्षेत्र एक विशिष्ट, लो-डायमेंशनल तरीके से सिंक में होते थे, लगभग एक ऑर्केस्ट्रा का नेतृत्व करने वाले कंडक्टर की तरह। हालाँकि, जब चूहा आराम कर रहा होता, तो बातचीत बदल जाती थी। उन्होंने "रिपल्स" (ripples) को भी देखा, जो स्मृति केंद्र में गतिविधि के बहुत तेज़ विस्फोट होते हैं। उन्होंने पाया कि इन रिपल्स के दौरान, स्मृति केंद्र उत्तेजित हो जाता है, लेकिन रिले स्टेशन और सतह अक्सर शांत हो जाते हैं। दिलचस्प बात यह है कि जो कोशिकाएं इन रिपल्स के दौरान शांत हो जाती थीं, वे वही थीं जो चूहे के दौड़ने पर उत्तेजित हो जाती थीं।
यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने मस्तिष्क के सभी रहस्यों को सुलझा लिया है, लेकिन यह सुझाव देता है कि इन दो शक्तिशाली सुनने और देखने वाले उपकरणों को जोड़कर, हम अंततः देख सकते हैं कि मस्तिष्क के गहरे और उथले हिस्से एक टीम के रूप में कैसे काम करते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह विधि स्थिर, विश्वसनीय है, और यह सीखने या बीमारी के दौरान मस्तिष्क-व्यापी नेटवर्क कैसे बदलते हैं, इसका अध्ययन करने का मार्ग प्रशस्त करती है, वह भी बिना उस शोर और भ्रम के जो पहले बाधा बनता था।
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