Propagation electrodynamics and differential conduction of action potentials in geometrically branched squid giant axons

विद्युत नदी और अदृश्य हवा

कल्पना कीजिए कि आपका मस्तिष्क एक हलचल भरे, उच्च-गति वाले शहर की तरह है जहाँ सूचनाएँ 'न्यूरॉन्स' नामक छोटी, घुमावदार सड़कों के माध्यम से यात्रा करती हैं। एक सदी से अधिक समय से, वैज्ञानिक "केबल थ्योरी" (cable theory) नामक नियमों के एक समूह का उपयोग करके यह समझते आए हैं कि ये सड़कें कैसे काम करती हैं। एक न्यूरॉन को एक लंबे, गीले बगीचे के पाइप (garden hose) की तरह समझें। जब आप पाइप को दबाते हैं (एक विद्युत संकेत भेजते हैं), तो पानी उसके माध्यम से तेजी से बहता है। पुराने नियम कहते हैं कि इस बहाव की गति मुख्य रूप से इस बात पर निर्भर करती है कि पाइप कितना चौड़ा है: एक चौड़ा पाइप पानी को तेजी से बहने देता है, जबकि एक संकरा पाइप इसे धीमा कर देता है। यह सिद्धांत विद्युत संकेत को पानी के सरल प्रवाह के रूप में देखता है, और इस तथ्य को अनदेखा करता है कि चलती हुई बिजली अपने चारों ओर अदृश्य चुंबकीय हवाएं पैदा करती है।

हालाँकि, जिस तरह एक तेज़ बहती नदी अपने ऊपर हवा में लहरें और भंवर पैदा करती है, उसी तरह न्यूरॉन्स में चलते हुए विद्युत संकेत अपने स्वयं के सूक्ष्म, अदृश्य चुंबकीय क्षेत्र बनाते हैं। यह शोध पत्र जो सवाल पूछता है वह यह है: क्या ये अदृश्य चुंबकीय हवाएं वास्तव में इस बात को बदलती हैं कि संकेत कैसे यात्रा करता है? जबकि पुराने "बगीचे के पाइप" वाले नियम सरल रास्तों के लिए बेहतरीन हैं, वे उस समय एक महत्वपूर्ण कड़ी को छोड़ सकते हैं जब सड़क एक दोराहे (fork) पर विभाजित होती है, जब संकेत बिजली की गति से चलता है, या जब सड़क इतनी अविश्वसनीय रूप से पतली होती है कि वह क्वांटम जगत में प्रवेश कर जाती है। यदि ये चुंबकीय हवाएं मायने रखती हैं, तो इसका अर्थ है कि हमारे मस्तिष्क के सोचने के वर्तमान मानचित्र थोड़े पुराने हो सकते हैं, विशेष रूप से न्यूरॉन्स के जटिल, शाखाओं वाले पेड़ों के मामले में जो हमारे तंत्रिका तंत्र का निर्माण करते हैं।

शोध का निष्कर्ष: जब चुंबक संदेश के साथ छेड़छाड़ करते हैं

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ज़ी लियू (Xi Liu), वेनक्सी फेंग (Wenxi Fang) और केन पर्लिन (Ken Perlin) ने पुराने "बगीचे के पाइप" वाले मॉडल को अपग्रेड करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक नया, अत्यंत जटिल सिमुलेशन बनाया जो बिजली के मानक नियमों को विद्युत चुंबकत्व (electromagnetism) के पूर्ण नियमों के साथ जोड़ता है—वही नियम जो यह नियंत्रित करते हैं कि चुंबक और इलेक्ट्रिक मोटर कैसे काम करते हैं। केवल पाइप के माध्यम से बहते पानी को देखने के बजाय, उन्होंने इसके चारों ओर घूमती अदृश्य चुंबकीय हवाओं को ट्रैक करना शुरू किया। उन्होंने "फाइनाइट-डिफरेंस टाइम-डोमेन" (FDTD) नामक एक शक्तिशाली कंप्यूटर पद्धति का उपयोग किया, जो सिग्नल के हर नैनोसेकंड के लाखों स्नैपशॉट लेने जैसा है ताकि यह देखा जा सके कि बिजली और चुंबकत्व मिलकर कैसे नृत्य करते हैं। इन सड़कों के सबसे सूक्ष्म, नैनोस्केल खंडों के लिए, उन्होंने मॉडल में "क्वांटम सुधार" (quantum corrections) भी जोड़े, यह स्वीकार करते हुए कि इतने छोटे पैमाने पर, भौतिकी के नियम थोड़े अजीब हो जाते हैं और आवेशों (charges) के व्यवहार का वर्णन करने के लिए एक अलग प्रकार के गणित की आवश्यकता होती है।

उन्होंने पाया कि ये अदृश्य चुंबकीय हवाएं केवल पृष्ठभूमि का शोर नहीं हैं; वे वास्तव में खेल बदल देती हैं। उनके सिमुलेशन में, चुंबकीय प्रभावों ने एक छिपे हुए ब्रेक या अचानक मिलने वाले धक्के की तरह काम किया। उदाहरण के लिए, जब एक विद्युत संकेत सड़क के दोराहे पर पहुँचा (एक शाखा बिंदु जहाँ एक एक्सॉन दो भागों में विभाजित होता है), तो पुराने नियमों ने भविष्यवाणी की थी कि यदि दोनों नए पथ एक ही आकार के हैं, तो संकेत समान रूप से विभाजित होगा। लेकिन नए मॉडल ने दिखाया कि यदि आप एक चुंबकीय क्षेत्र पेश करते हैं, तो संकेत निष्पक्ष नहीं रहता। यह एक शाखा में तेज हो सकता है और दूसरी में धीमा हो सकता है, या यहाँ तक कि पूरी तरह से रुक भी सकता है, भले ही शाखाएं दिखने में बिल्कुल एक जैसी हों। चुंबकीय बल अनिवार्य रूप से "खेल के मैदान को झुका देते हैं," उस समरूपता (symmetry) को तोड़ देते हैं जो पुराने नियमों के अनुसार मौजूद होनी चाहिए थी।

टीम ने यह भी खोजा कि न्यूरॉन के आकार और उसकी गति के बीच का संबंध उतना सरल नहीं है जितना कि हम सोचते थे। पुराना नियम कहता है कि यदि आप एक्सॉन की चौड़ाई को दोगुना करते हैं, तो संकेत एक अनुमानित तरीके से तेज हो जाता है (विशेष रूप से व्यास के वर्गमूल के समानुपाती)। हालाँकि, उनके नए सिमुलेशन सुझाव देते हैं कि यह नियम टूट जाता है। बहुत चौड़े एक्सॉन्स के लिए, चुंबकीय प्रभाव एक प्रकार का "विद्युत चुंबकीय फीडबैक" (electromagnetic feedback) पैदा करते हैं जो संकेत को धीमा कर सकता है या दोराहे तक पहुँचने से पहले ही उसे पूरी तरह रोक सकता है। उन्होंने गणना की कि वह महत्वपूर्ण आकार जहाँ एक संकेत विफल हो सकता है, इन चुंबकीय अंतःक्रियाओं के कारण पहले की तुलना में छोटा है, जिसका अर्थ है कि बड़े केबल उस अवरोध को ट्रिगर कर सकते हैं जिसे पुराने मॉडल देख नहीं पाए थे।

इसे समझने के लिए, लेखकों ने एक मुख्य सड़क से दोराहे पर संकेत के कूदने की क्षमता को मापने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया। वे इसे "इलेक्ट्रोमैग्नेटिक करेक्टेड ज्योमेट्रिक रेशियो" ($GR_{EM}$) कहते हैं। यह एक नए ट्रैफिक नियम की तरह है जो न केवल सड़कों की चौड़ाई को देखता है, बल्कि चलती हुई बिजली के कारण होने वाले चुंबकीय "ट्रैफिक जाम" को भी ध्यान में रखता है। उनके परिणाम, जो वास्तविक स्क्विड (squid) पर भौतिक प्रयोगों के बजाय कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं, यह सुझाव देते हैं कि पुराने मॉडल व्यवस्थित रूप से इस बात को कम आंकते हैं कि ये चुंबकीय बल संकेत के आकार, गति और विश्वसनीयता को कितना विकृत कर सकते हैं।

संक्षेप में, यह शोध पत्र बताता है कि मस्तिष्क के जटिल, शाखाओं वाले राजमार्गों के माध्यम से संकेतों के यात्रा करने के तरीके को वास्तव में समझने के लिए, हम केवल तारों को नहीं देख सकते; हमें उनके चारों ओर घूमते अदृश्य चुंबकीय मौसम, सूक्ष्म रास्तों के क्वांटम उतार-चढ़ाव और चौड़ी सड़कों के अचानक जाम होने के आश्चर्यजनक तरीकों को भी ध्यान में रखना होगा। जबकि क्लासिक "बगीचे के पाइप" वाला मॉडल सरल मामलों में अच्छा काम करता है, लेखक तर्क देते हैं कि हमारे न्यूरॉन्स कैसे संवाद करते हैं इसकी सबसे सटीक तस्वीर के लिए, हमें पूर्ण विद्युत चुंबकत्व की शक्ति को शामिल करने वाले एक नए मानचित्र की आवश्यकता है।