Mild and Reversible Proprioception Perturbation Suggests Causal Biomechanics for Memory-Dependent Spatial Behavior in Mice

जब भी आप बिना अपने पैरों की ओर देखे कमरे के एक छोर से दूसरे छोर तक चलते हैं, या अंधेरे में कप पकड़ने के लिए हाथ बढ़ाते हैं, तो आपका मस्तिष्क एक जटिल गणना कर रहा होता है। यह केवल आपकी आँखों से जो दिखता है उस पर निर्भर नहीं रहता; यह लगातार आपके अंगों की स्थिति और आपकी मांसपेशियों के तनाव को ट्रैक करता है। यह आंतरिक संवेदना, जिसे प्रोप्रियोसेप्शन (proprioception) कहा जाता है, एक मूक जीपीएस (GPS) की तरह कार्य करती है, जिससे आपका मस्तिष्क यह जान पाता है कि आँखें बंद होने पर भी अंतरिक्ष में आपका शरीर कहाँ है। नेविगेशन (मार्गदर्शन) के लिए यह संवेदना अत्यंत महत्वपूर्ण है। मनुष्य सहित अन्य जानवर, इन आंतरिक संकेतों का उपयोग दुनिया के अपने मानसिक मानचित्र को अपडेट करने के लिए करते हैं, जब वे चलते हैं, जिसे 'पाथ इंटीग्रेशन' (path integration) कहा जाता है। यह वही प्रक्रिया है जिससे एक चूहा एक बिना किसी विशेषता वाले भूलभुलैया में अपने छिपे हुए घोंसले तक वापस जाने का रास्ता खोज लेता है, या कैसे एक व्यक्ति अंधेरे गलियारे में एक परिचित दरवाजे तक चल सकता है। हालाँकि, यह समझना कि वास्तव में यह आंतरिक संवेदना नेविगेशन में कैसे योगदान देती है, वैज्ञानिकों के लिए एक कठिन समस्या रही है। इसे अध्ययन करने के उपकरण बहुत ही अपूर्ण रहे हैं; शरीर की स्थिति की संवेदना को बंद करने से अक्सर जानवर पूरी तरह से चलना बंद कर देता है, जिससे यह बताना असंभव हो जाता है कि नेविगेशन की विफलता गति की कमी के कारण थी या स्थानिक जागरूकता की कमी के कारण।

Academia Sinica और National Taiwan University के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रक्रिया में झाँकने का एक नया तरीका विकसित किया है, जो जानवर की चलने की क्षमता को बाधित किए बिना काम करता है। उन्होंने एक ऐसा तरीका बनाया जिससे चूहे की टांग की मांसपेशियों से आने वाले प्रोप्रियोसेप्टिव संकेतों को अस्थायी रूप से और धीरे से बाधित किया जा सके, इतना कि मस्तिष्क के आंतरिक मानचित्र को भ्रमित किया जा सके लेकिन इतना नहीं कि चूहा चलना ही बंद कर दे। एक विशेष आनुवंशिक उपकरण का उपयोग करके, जो एक रसायन पेश किए जाने पर विशिष्ट तंत्रिका कोशिकाओं को चमका देता है, वे लगभग बीस मिनट के लिए शरीर की स्थिति की संवेदना में "शोर" (noise) पैदा करने में सक्षम रहे। इसके बाद उन्होंने इन चूहों को एक वर्चुअल रियलिटी वातावरण में रखा जहाँ उन्हें केवल अपने दौड़ने की दूरी की स्मृति के आधार पर एक छिपे हुए इनाम को खोजना था। परिणामों ने दिखाया कि जब शरीर की गति की आंतरिक संवेदना को थोड़ा सा अस्त-व्यस्त किया गया, तो चूहे इनाम के स्थान का अनुमान लगाने में कम सटीक हो गए, भले ही वे पूरी तरह से दौड़ और संतुलन बनाए रखने में सक्षम थे। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क स्थानिक मानचित्र बनाने के लिए इन सूक्ष्म मांसपेशियों के संकेतों पर बहुत अधिक निर्भर करता है, और इस प्रणाली का परीक्षण स्थायी क्षति या पूर्ण पक्षाघात के बिना भी किया जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले तंत्रिका विज्ञान की एक बड़ी बाधा को संबोधित किया: कैसे एक विशिष्ट संवेदना को अन्य संवेदनाओं को प्रभावित किए बिना नियंत्रित किया जाए। पारंपरिक तरीके, जैसे कि मांसपेशियों की स्थिति को महसूस करने की क्षमता को आनुवंशिक रूप से हटाना, अक्सर जानवरों को ठीक से चलने में असमर्थ बना देते हैं, जिससे नेविगेशन की समस्याओं को गति की समस्याओं से अलग करना असंभव हो जाता है। इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने 'ल्यूमिनोप्सिन' (luminopsin) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो प्रकाश-आधारित नियंत्रण की सटीकता को रासायनिक ट्रिगर की सुविधा के साथ जोड़ती है। उन्होंने उन चूहों को विकसित किया जिनमें उनके प्रोप्रियोसेप्टिव तंत्रिका कोशिकाओं में—जो पृष्ठीय जड़ गांठों (dorsal root ganglia) में स्थित होती हैं और शरीर से मस्तिष्क तक संवेदी जानकारी भेजने वाले रिले स्टेशन के रूप में कार्य करती हैं—एक विशिष्ट जीन मौजूद था। इन कोशिकाओं को एक ऐसे प्रोटीन को उत्पन्न करने के लिए इंजीनियर किया गया था जो 'कोएलेन्टेराज़ीन' (coelenterazine) नामक एक विशिष्ट रसायन के संपर्क में आने पर चमकता है।

इस प्रणाली का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिकों ने चूहों की बड़ी मांसपेशियों में, विशेष रूप से उन मांसपेशियों को लक्षित करते हुए, रसायन का इंजेक्शन लगाया जो चलने के नियंत्रण में सहायक होती हैं। उन्होंने शरीर के वजन के प्रति किलोग्राम 7.2 मिलीग्राम की उच्च खुराक का उपयोग किया और इसे समीपस्थ (proximal) मांसपेशियों में इंजेक्ट किया, जैसे कि क्वाड्रिसेप्स और हैमस्ट्रिंग, जो चलने की यांत्रिकी के लिए महत्वपूर्ण हैं। उन्होंने चूहों को जागते हुए लेकिन हल्के से नियंत्रित अवस्था में इंजेक्शन देने का तरीका भी विकसित किया, ताकि एनेस्थीसिया के उपयोग से बचा जा सके जो परिणामों को धुंधला कर सकता था। कुछ ही सेकंड के भीतर, रसायन ने तंत्रिका कोशिकाओं को अनियमित रूप से सक्रिय कर दिया, जिससे मस्तिष्क को पैरों की स्थिति के बारे में गलत संकेत मिलने लगे। शोधकर्ताओं ने इन कोशिकाओं की चमक को मापने के लिए एक संवेदनशील कैमरा सिस्टम का उपयोग किया और पाया कि इसका प्रभाव लगभग बीस मिनट तक रहा और फिर धीरे-धीरे समाप्त हो गया। इसने चूहों के नेविगेशन कौशल का परीक्षण करने के लिए एक आदर्श समय प्रदान किया जब उनकी गति की आंतरिक संवेदना अस्थायी रूप से भ्रमित थी।

चूहों की नेविगेशन क्षमता का परीक्षण करने से पहले, टीम को यह सुनिश्चित करना था कि रासायनिक इंजेक्शन से चूहे थके हुए, चिंतित या चलने में असमर्थ तो नहीं हो गए। उन्होंने परीक्षणों की एक श्रृंखला चलाई। एक खुले क्षेत्र में, चूहे स्वतंत्र रूप से घूम रहे थे, और उनके पथों को ट्रैक किया गया ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे सामान्य से अधिक हिचकिचा रहे हैं या चिंतित हैं। परिणामों ने दिखाया कि उनके चलने या स्थान की खोज करने के तरीके में कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं था। उन्होंने संतुलन और समन्वय का परीक्षण करने के लिए चूहों को एक घूमती हुई छड़ पर रखा, और एक संकीर्ण बीम पर यह देखने के लिए रखा कि क्या वे बिना गिरे चल सकते हैं। इन परीक्षणों में, चूहों ने नियंत्रण समूह की तरह ही प्रदर्शन किया, जिससे सिद्ध हुआ कि उनके सकल मोटर कौशल (gross motor skills) और संतुलन बनाने की क्षमता बरकरार थी। उन्होंने चीनी युक्त पानी के इनाम के लिए चूहों की प्रेरणा का भी परीक्षण किया, और फिर से, उपचारित चूहे अन्य चूहों की तरह ही उत्सुक थे। ये नियंत्रण प्रयोग महत्वपूर्ण थे क्योंकि इन्होंने सिद्ध किया कि रसायन सामान्य कमजोरी या भ्रम पैदा नहीं कर रहा था, बल्कि विशेष रूप से शरीर की स्थिति की आंतरिक संवेदना को लक्षित कर रहा था।

असली परीक्षा तब हुई जब चूहों को वर्चुअल रियलिटी सेटअप में रखा गया। चूहों का सिर स्थिर (head-fixed) रखा गया था, जिसका अर्थ है कि उनके सिर को स्थिर रखा गया था, जबकि वे एक ट्रेडमिल पर दौड़ रहे थे जिसके सामने एक वर्चुअल ट्रैक चल रहा था। ट्रैक एक लंबी, सीधी रेखा थी जिसमें कोई लैंडमार्क या दृश्य संकेत नहीं थे। ट्रैक के एक विशिष्ट दूरी पर, एक छिपा हुआ रिवॉर्ड ज़ोन था। चूहों को एक निश्चित दूरी तक दौड़ना सीखना था और फिर चीनी युक्त पानी की एक बूंद पाने के लिए रुकना था। इस कार्य के लिए चूहों को 'पाथ इंटीग्रेशन' का उपयोग करना आवश्यक था: उन्हें अपनी खुद की कदमों की गिनती करनी थी और यह जानने के लिए अपनी टांगों की गति को महसूस करना था कि वे कितनी दूर तक चले हैं। शोधकर्ताओं ने चूहों को कई हफ्तों तक प्रशिक्षित किया जब तक कि वे सही स्थान पर रुकने में सक्षम नहीं हो गए।

जब चूहे इस कार्य में विशेषज्ञ हो गए, तो शोधकर्ताओं ने रासायनिक इंजेक्शन दिया। उन्होंने प्रभाव के बीस मिनट के समय का इंतजार किया, और फिर देखा कि चूहे कैसा प्रदर्शन करते हैं। परिणाम स्पष्ट और विशिष्ट थे। जब प्रोप्रियोसेप्टिव संकेतों को अस्त-व्यस्त किया गया, तो चूहों ने अपने नेविगेशन में एक स्पष्ट त्रुटि की। रिवॉर्ड ज़ोन पर ठीक से रुकने के बजाय, वे लक्ष्य से आगे निकल गए, औसतन 9.2 सेंटीमीटर की दूरी अधिक तय कर ली। यह बदलाव तब हुआ जब चूहे पहले की तरह ही समान गति और लय के साथ दौड़ रहे थे। रासायनिक इंजेक्शन ने उन्हें कार्य भुलाया नहीं था या उनकी प्रेरणा कम नहीं की थी; इसने केवल दूरी मापने के उनके आंतरिक पैमाने को थोड़ा बाधित कर दिया था। चूहे अभी भी इनाम खोजने की कोशिश कर रहे थे, लेकिन दूरी मापने वाला उनका आंतरिक रूलर थोड़ा गलत हो गया था।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि चूहों के रुकने के बिंदुओं में कितनी निरंतरता थी। उन्होंने पाया कि उपचारित चूहे न केवल एक निश्चित मात्रा से पीछे रह गए, बल्कि उनके रुकने के बिंदु एक रन से दूसरे रन के बीच थोड़े अधिक परिवर्तनशील भी हो गए। यह सुझाव देता है कि रसायन द्वारा उत्पन्न शोर ने मस्तिष्क के स्थिति के अनुमान को कम निश्चित बना दिया। दिलचस्प बात यह है कि जब शोधकर्ताओं ने रसायन की कम खुराक का उपयोग किया या निचले पैरों की छोटी मांसपेशियों में इंजेक्शन लगाया, तो उन्हें ये नेविगेशन त्रुटियां नहीं दिखीं। इससे संकेत मिला कि यह प्रभाव सिग्नल की ताकत और लक्षित मांसपेशियों के स्थान, दोनों पर निर्भर था। ऊपरी पैरों की बड़ी, शक्तिशाली मांसपेशियां इस विशिष्ट प्रकार के नेविगेशन के लिए मस्तिष्क द्वारा उपयोग किए जाने वाले संकेतों का मुख्य स्रोत प्रतीत हुईं।

यह अध्ययन शरीर की संवेदना और स्थानिक स्मृति के बीच एक दुर्लभ कारण संबंध (causal link) प्रदान करता है। यह दिखाकर कि प्रोप्रियोसेप्शन में मामूली, अस्थायी व्यवधान से नेविगेशन में विशिष्ट त्रुटियां होती हैं, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि मस्तिष्क दुनिया के अपने मानचित्र को अपडेट करने के लिए इन मांसपेशियों के संकेतों पर निर्भर करता है। तथ्य यह है कि चूहे नेविगेशन कार्य में विफल होने के बावजूद चल सकते थे, संतुलन बना सकते थे और बीम पर संतुलन रख सकते थे, यह सिद्ध करता है कि ये दो कार्य अलग-अलग हैं। मस्तिष्क गति की यांत्रिकी को संभाल सकता है जबकि आंतरिक स्थिति की संवेदना अस्थायी रूप से अस्त-व्यस्त होती है, लेकिन "मैं कहाँ हूँ" जानने की क्षमता प्रभावित होती है। यह खोज इस विचार को चुनौती देती है कि नेविगेशन पूरी तरह से एक दृश्य या केंद्रीय मस्तिष्क प्रक्रिया है; यह पुष्टि करती है कि शरीर की भौतिक अवस्था मस्तिष्क द्वारा स्थान के निर्माण का एक मौलिक हिस्सा है।

इस अध्ययन में उपयोग किया गया दृष्टिकोण वैज्ञानिकों को मस्तिष्क की खोज करने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है। चूंकि प्रभाव प्रतिवर्ती (reversible) है और केवल थोड़े समय के लिए रहता है, इसलिए शोधकर्ता व्यवधान से पहले और बाद में उसी जानवर का परीक्षण कर सकते हैं, जिससे जानवरों के अलग-अलग समूहों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। इस पद्धति का उपयोग शरीर मस्तिष्क को कैसे प्रभावित करता है, जैसे कि हम अपने स्वयं के आकार को कैसे महसूस करते हैं या हम नई गतिविधियों को कैसे सीखते हैं, जैसे विषयों के बारे में अन्य प्रश्नों के लिए किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उनकी विधि इस विशिष्ट कार्य के लिए अच्छी तरह से काम करती है, लेकिन यह सभी प्रकार के प्रोप्रियोसेप्शन को बाधित करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं हो सकती है, और भविष्य के कार्य अन्य तंत्रिका मार्गों को लक्षित करने के लिए इस तकनीक को परिष्कृत कर सकते हैं। हालाँकि, मुख्य उपलब्धि यही है: उन्होंने शरीर के आंतरिक जीपीएस की आवाज़ को धीरे से कम करने का एक तरीका खोज लिया है ताकि यह देखा जा सके कि जब सिग्नल कमजोर होता है तो क्या होता है, जिससे पता चलता है कि यह सिग्नल मस्तिष्क की दुनिया में नेविगेट करने की क्षमता के लिए आवश्यक है।