Conserved and specialized features of thalamocortical wiring revealed by single-cell projection mapping in mouse and marmoset
चूहों और मार्मोसेट्स में सिंगल-सेल जीन एक्सप्रेशन और प्रोजेक्शन मैपिंग को संयोजित करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि जबकि प्राइमेट थैलेमोकोर्टिकल सर्किट विशेष कनेक्टिविटी का समर्थन करने के लिए बढ़ी हुई स्थानिक पृथक्करण (स्पेशियल सेग्रिगेशन) प्रदर्शित करते हैं, वे मौलिक रूप से संरक्षित आणविक ढालों (मॉलिक्यूलर ग्रेडिएंट्स) द्वारा व्यवस्थित रहते हैं जो विविक्त शारीरिक सीमाओं से परे जाते हैं और कॉर्टिकल लक्ष्य स्थानों के साथ सह-संबंधित होते हैं।
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मस्तिष्क तारों का एक विशाल जाल है, लेकिन कंप्यूटर के विपरीत जहाँ कनेक्शन हार्ड-वायर्ड और स्थिर होते हैं, जीवित मस्तिष्क एक गतिशील परिदृश्य है जो बढ़ता और बदलता रहता है। इस जटिलता के केंद्र में थैलेमस (thalamus) स्थित है, जो एक गहरा, अंडे के आकार का ढांचा है और एक केंद्रीय रिले स्टेशन के रूप में कार्य करता है। यह आंखों, कानों और त्वचा से संवेदी जानकारी प्राप्त करता है और इसे मस्तिष्क की बाहरी परत, कॉर्टेक्स (cortex) तक पहुंचाता है, जहाँ विचारों और धारणाओं का निर्माण होता है। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने थैलेमस को अलग-अलग, पृथक कमरों के एक संग्रह के रूप में देखा है, जिनमें से प्रत्येक का एक विशिष्ट कार्य है और प्रत्येक के बीच एक स्पष्ट दीवार है। इस दृष्टिकोण ने सुझाव दिया कि यदि मस्तिष्क को अधिक जटिल जानकारी को संभालने की आवश्यकता होती है, तो वह या तो नए कमरे बनाएगा या मौजूदा कमरों को विभाजित करेगा। हालाँकि, हालिया अवलोकनों ने संकेत दिया है कि इन कमरों के बीच की दीवारें कल्पना की तुलना में कम ठोस हो सकती हैं, जहाँ संकेत और कोशिका प्रकार तीक्ष्ण उछालों के बजाय सुचारू, निरंतर तरंगों में सीमाओं के पार बहते हैं। इस रिले स्टेशन की वायरिंग को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इस बात की कुंजी रखता है कि चूहों से लेकर मनुष्यों तक विभिन्न प्रजातियों ने अपने आसपास की दुनिया को संसाधित करने के लिए खुद को कैसे विकसित किया है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक मौलिक पहेली को सुलझाने के लिए हाथ बढ़ाया: मस्तिष्क अपनी वायरिंग को व्यवस्थित रखने के साथ-साथ प्राइमेट (primate) मस्तिष्क की जटिल आवश्यकताओं को संभालने के लिए विस्तार कैसे कर पाता है? उन्होंने दो बहुत ही अलग जानवरों पर ध्यान केंद्रित किया: चूहा, जिसका मस्तिष्क अपेक्षाकृत छोटा है, और मार्मोसेट (marmoset), एक छोटा बंदर जिसका मस्तिष्क एक बड़ा संस्करण है जिसमें दृष्टि और निर्णय लेने के लिए बहुत बड़े क्षेत्र समर्पित हैं। चुनौती यह देखना थी कि इन दोनों प्रजातियों में थैलेमस की व्यक्तिगत तंत्रिका कोशिकाएं कॉर्टेक्स से कैसे जुड़ती हैं। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने BARseq नामक एक शक्तिशाली नई तकनीक का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि एक ऐसी विधि जो न केवल एक एकल तंत्रिका कोशिका की आनुवंशिक पहचान को पढ़ सकती है, बल्कि यह भी पता लगा सकती है कि वह कोशिका अपनी लंबी, पतली पूंछ, जिसे एक्सॉन (axon) कहा जाता है, को मस्तिष्क के बाकी हिस्सों से जुड़ने के लिए ठीक कहाँ भेजती है। मार्मोसेट में दस लाख से अधिक कोशिकाओं और चूहे में हजारों कोशिकाओं पर इस पद्धति को लागू करके, शोधकर्ताओं ने एक विस्तृत मानचित्र बनाया कि ये कनेक्शन कैसे व्यवस्थित हैं।
अध्ययन ने इस बात का खुलासा किया कि मस्तिष्क कैसे निर्मित होता है, इसमें एक आश्चर्यजनक द्वैत (duality) है। एक स्तर पर, शोधकर्ताओं ने पाया कि थैलेमस अलग-अलग, कठोर कमरों का संग्रह नहीं है। इसके बजाय, उन्होंने पाया कि जीन अभिव्यक्ति (gene expression)—कोशिकाओं के भीतर रासायनिक निर्देश—और उनके कनेक्शनों के गंतव्य थैलेमस में धीरे-धीरे बदलते हैं। चूहे और मार्मोसेट दोनों में, दो अलग-अलग थैलेमिक क्षेत्रों की सीमा के पास वाली कोशिकाएं अक्सर अपने स्वयं के क्षेत्र के भीतर की कोशिकाओं की तुलना में एक-दूसरे के अधिक समान थीं। इसका अर्थ है कि शरीर रचना विज्ञानियों द्वारा खींची गई पारंपरिक सीमाएं मस्तिष्क की वायरिंग के लिए कठोर रोक नहीं हैं; बल्कि, कनेक्शन इन सीमाओं के पार एक सुचारू, निरंतर ढाल (gradient) में बहते हैं। यह निष्कर्ष बताता है कि मस्तिष्क को अधिक जटिल कार्यों को संभालने के लिए पूरी तरह से नए प्रकार की कोशिकाओं को आविष्कार करने या नए ढांचे बनाने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, यह बड़े कॉर्टेक्स को समायोजित करने के लिए इन मौजूदा, निरंतर मानचित्रों को बस फैला सकता है या स्थानांतरित कर सकता है।
हालाँकि, कहानी केवल सुचारू ढालों के बारे में नहीं है। जब शोधकर्ताओं ने व्यक्तिगत कनेक्शनों को करीब से देखा, तो उन्हें दोनों प्रजातियों के बीच एक उल्लेखनीय अंतर मिला। चूहे में, पड़ोसी तंत्रिका कोशिकाओं के कनेक्शन अत्यधिक मिश्रित थे; एक कोशिका जो दृश्य क्षेत्र को संकेत भेज रही थी, वह मोटर क्षेत्र को संकेत भेजने वाली कोशिका के ठीक बगल में हो सकती थी। लेकिन मार्मोसेट में, संगठन बहुत अधिक सटीक था। मार्मोसेट के थैलेमस में पड़ोसी कोशिकाएं अक्सर अपने संकेतों को मस्तिष्क के एक ही विशिष्ट भाग में भेजती थीं, जिससे एक अधिक सघन, बिंदु-से-बिंदु व्यवस्था बनी। इस बढ़ी हुई सटीकता ने व्यक्तिगत मार्मोसेट न्यूरॉन्स को अपने चूहे के समकक्षों की तुलना में कॉर्टेक्स के छोटे, अधिक विशिष्ट क्षेत्रों को लक्षित करने की अनुमति दी। ऐसा प्रतीत होता है कि जैसे-जैसे प्राइमेट मस्तिष्क का विस्तार हुआ, उसने केवल मौजूदा वायरिंग को बड़ा ही नहीं किया; बल्कि उसने स्थानीय कनेक्शनों को अधिक चयनात्मक और व्यवस्थित बनाने के लिए उन्हें परिष्कृत किया, जिससे विशिष्ट मस्तिष्क कार्यों पर सूक्ष्म नियंत्रण संभव हो सका।
शोधकर्ताओं ने एक छिपी हुई भाषा की भी खोज की जो मस्तिष्क के रसायन विज्ञान को उसके भूगोल से जोड़ती है। उन्होंने पाया कि थैलेमिक कोशिका की आनुवंशिक संरचना सटीक रूप से यह भविष्यवाणी कर सकती थी कि वह कोशिका कॉर्टेक्स के सामने-से-पीछे की दिशा में अपने संकेत कहाँ भेजेगी। यह संबंध चूहे और मार्मोसेट दोनों में सत्य रहा, जो यह सुझाव देता है कि यह मस्तिष्क की वायरिंग का एक मौलिक नियम है जो विकास के लाखों वर्षों के माध्यम से संरक्षित रहा है। भले ही मार्मोसेट का मस्तिष्क बड़ा और अधिक जटिल है, फिर भी यह इसी समान अंतर्निहित समन्वय प्रणाली (coordinate system) पर निर्भर करता है। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि मस्तिष्क अपनी जटिलता को एक प्राचीन, संरक्षित वैश्विक मानचित्र पर नए, विशिष्ट स्थानीय पैटर्न की परतें चढ़ाकर प्रबंधित करता है। थैलेमस न तो कठोर कमरों का एक सेट है और न ही पूरी तरह से तरल सूप; यह एक ऐसा परिदृश्य है जहाँ सुचारू, निरंतर ढाल एक आधार प्रदान करती है, जिस पर प्रत्येक जानवर के मन की अद्वितीय मांगों को पूरा करने के लिए प्रजाति-विशिष्ट विशेषज्ञताएं बनाई जाती हैं।
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