High-Frequency Activity in Scalp EEG Validated by Concurrent Intracranial EEG During Working Memory

मानव मस्तिष्क विद्युत गतिविधि का एक विशाल, शांत शहर है, जो लगातार ऐसे संकेत भेजता रहता है जो हमारे विचारों, यादों और कार्यों को आकार देते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इलेक्ट्रोएन्सेफालोग्राफी (EEG) का उपयोग करके बाहर से इस शहर को सुनने की कोशिश कर रहे हैं, जो कि एक ऐसी विधि है जिसमें स्कैल्प (सिर की त्वचा) पर सेंसर रखकर विद्युत तरंगों को रिकॉर्ड किया जाता है। यह उपकरण वास्तविक समय में मस्तिष्क की गतिविधि को ट्रैक करने की अपनी क्षमता के लिए प्रिय है, फिर भी इसमें एक महत्वपूर्ण कमी है। खोपड़ी एक मोटी दीवार की तरह कार्य करती है, जो संकेतों को धुंधला और धीमा कर देती है, विशेष रूप से उन बहुत तेज़, उच्च-आवृत्ति वाले विस्फोटों (high-frequency bursts) को जो मस्तिष्क के सबसे गहन स्थानीय प्रसंस्करण (local processing) का प्रतिनिधित्व करते हैं। हालांकि डॉक्टर सर्जरी के दौरान मस्तिष्क की सतह पर सीधे इलेक्ट्रोड रख सकते हैं ताकि इन तेज़ संकेतों को स्पष्ट रूप से देख सकें, लेकिन ऐसी आक्रामक विधियाँ विशिष्ट चिकित्सा मामलों के लिए आरक्षित होती हैं। यह एक महत्वपूर्ण अंतर छोड़ देता है: हम जानते हैं कि ये तेज़ संकेत गहराई में मौजूद हैं, लेकिन हम पूरी तरह से आश्वस्त नहीं हैं कि स्कैल्प पर मिलने वाली ये हल्की गूँज वास्तव में वही चीज़ है या केवल शोर (noise) है।

इस अंतर को पाटने के लिए, मिशिगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक दल ने एक साथ दो तरीकों से मस्तिष्क को सुनने का निर्णय लिया। उन्होंने उन नौ रोगियों का अध्ययन किया जो पहले से ही मिर्गी (epilepsy) की नैदानिक निगरानी के अधीन थे, एक ऐसी स्थिति जहाँ मस्तिष्क की विद्युत गतिविधि अस्थिर हो सकती है। इन रोगियों के मस्तिष्क के भीतर गहराई में इलेक्ट्रोड लगाए गए थे ताकि डॉक्टरों को उनके दौरों (seizures) के स्रोत का पता लगाने में मदद मिल सके। जब रोगियों ने एक मानक स्मृति कार्य (memory task) किया—अक्षरों के एक क्रम को याद रखना और फिर उन्हें पुनः स्मरण करना—तो शोधकर्ताओं ने स्कैल्प और मस्तिष्क के अंदर दोनों जगहों से एक साथ मस्तिष्क की गतिविधि को रिकॉर्ड किया। दोनों रिकॉर्डिंग की आपस में तुलना करके, टीम यह निर्धारित कर सकी कि स्कैप पर देखी गई तेज़ विद्युत गतिविधि वास्तव में मस्तिष्क के भीतर हो रही गतिविधि का वास्तविक प्रतिबिंब थी, या यह केवल खोपड़ी और मांसपेशियों का एक आर्टिफैक्ट (artifact) मात्र था।

परिणामों ने एक स्पष्ट और उत्साहजनक उत्तर दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्कैल्प पर रिकॉर्ड की गई तेज़ विद्युत गतिविधि वास्तव में मस्तिष्क के भीतर होने वाली गतिविधि को दर्शाती है, विशेष रूप से जब रोगी स्मृतियों को पुनः प्राप्त (retrieve) कर रहे थे। उन क्षणों के दौरान जब रोगियों को उन अक्षरों को याद करने की आवश्यकता थी जिन्हें उन्होंने अभी-अभी याद किया था, दोनों आंतरिक और बाहरी सेंसरों ने एक ही मस्तिष्क क्षेत्रों में, जिनमें सिर के सामने और किनारों के पास के क्षेत्र शामिल हैं, उच्च-आवृत्ति ऊर्जा के उछाल को पकड़ा। यह तालमेल यादृच्छिक (random) नहीं था; जैसे-जैसे स्मृति कार्य कठिन होता गया, यह और मजबूत होता गया, जो यह दर्शाता है कि स्कैल्प सेंसर सूचना को बनाए रखने और उसे पुनः प्राप्त करने के मस्तिष्क के बढ़ते प्रयास को पकड़ रहे थे। अध्ययन ने पुष्टि की कि ये उच्च-आवृत्ति वाले संकेत, जिन्हें लंबे समय से कुछ लोगों द्वारा खोपड़ी के माध्यम से देखे जाने के लिए बहुत कमजोर मानकर खारिज कर दिया गया था, वास्तविक हैं और संज्ञानात्मक कार्य (cognitive work) के बारे में सार्थक जानकारी रखते हैं।

टीम ने यह समझने के लिए आगे कदम बढ़ाया कि ये दो प्रकार की रिकॉर्डिंग एक-दूसरे से कैसे संवाद करती हैं। उन्होंने पाया कि स्कैल्प और मस्तिष्क के बीच का संबंध स्मृति कार्य के 'रिट्रीवल फेज' (पुनः प्राप्ति चरण) के दौरान सबसे मजबूत था, जो बाहरी सेंसरों को हिप्पोकैम्पस (hippocampus) जैसी गहरी संरचनाओं से जोड़ता है, जो स्मृति के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। उन्होंने एक विशिष्ट पैटर्न भी देखा जहाँ धीमी मस्तिष्क तरंगें इन तेज़ विस्फोटों के समय को व्यवस्थित करने के लिए एक कंडक्टर की तरह कार्य करती थीं, जो एक ऑर्केस्ट्रा का मार्गदर्शन करता है। यह संबंध इस बात पर निर्भर करता था कि मस्तिष्क क्या कर रहा है: जब रोगी अक्षरों को अपने मन में बनाए रख रहे थे, तब संबंध उस समय से भिन्न था जब वे सक्रिय रूप से उस जानकारी को वापस निकाल रहे थे। ये निष्कर्ष बताते हैं कि मस्तिष्क स्मृति को प्रबंधित करने के लिए संकेतों की एक जटिल, स्तरित प्रणाली का उपयोग करता है, और अब हम बिना खोपड़ी खोले इस प्रणाली के हिस्सों का पता लगा सकते हैं।

शायद इस कार्य का सबसे व्यावहारिक परिणाम मस्तिष्क के संकेतों को पढ़ने का एक नया तरीका था। शोधकर्ताओं ने 'नॉलेज डिस्टिलेशन' (knowledge distillation) नामक एक तकनीक का उपयोग किया, जो मूल रूप से एक सरल मॉडल को अधिक जटिल मॉडल से सीखने के लिए सिखाने की एक विधि है। इस मामले में, उन्होंने स्पष्ट, उच्च-गुणवत्ता वाले डेटा का उपयोग स्कैल्प से प्राप्त शोर भरे, धुंधले डेटा की बेहतर व्याख्या करने के लिए एक कंप्यूटर प्रोग्राम को सिखाने के लिए किया। आंतरिक संकेतों को सीखने की प्रक्रिया का मार्गदर्शन करने देकर, कंप्यूटर इस अनुमान लगाने में काफी बेहतर हो गया कि रोगी कौन सा स्मृति कार्य कर रहा था, जिससे इसकी सटीकता लगभग 74 प्रतिशत से बढ़कर 80 प्रतिशत से अधिक हो गई। यह प्रदर्शित करता है कि भले ही स्कैल्प के संकेत कमजोर हों, फिर भी उनमें पर्याप्त छिपी हुई जानकारी होती है जिसे प्रभावी ढंग से डिकोड किया जा सकता है यदि हमें पता हो कि कहाँ देखना है।

अध्ययन ने एक सामान्य चिंता को भी संबोधित किया: कि उच्च-आवृत्ति वाले संकेत मस्तिष्क के बजाय मांसपेशियों की गतिविधियों या आँखों के झपकने से आ सकते हैं। हस्तक्षेप के ज्ञात स्रोतों को सावधानीपूर्वक फ़िल्टर करके और केवल उन संकेतों पर ध्यान केंद्रित करके जो आंतरिक मस्तिष्क गतिविधि से मेल खाते थे, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि शेष संकेत वास्तव में तंत्रिका संबंधी (neural) मूल के थे। उन्होंने उल्लेख किया कि हालांकि रोगियों को मिर्गी थी, लेकिन उन्होंने विशेष रूप से उन मस्तिष्क क्षेत्रों को बाहर रखा था जो दौरों का कारण बनते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि विश्लेषण किए गए संकेत सामान्य स्मृति कार्य से संबंधित थे न कि बीमारी से। यह अंतर महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह पुष्टि करता है कि यह विधि केवल रोग संबंधी (pathological) प्रक्रियाओं के लिए नहीं, बल्कि स्वस्थ संज्ञानात्मक प्रक्रियाओं के लिए भी काम करती है।

भविष्य की ओर देखते हुए, शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि उनके कार्य की सीमाएँ हैं। उनके द्वारा उपयोग किए गए स्कैप सेंसर मानक चिकित्सा उपकरण थे, जिसका अर्थ है कि मस्तिष्क का दृश्य उच्च-घनत्व वाली प्रणालियों की तुलना में थोड़ा धुंधला था। इसके अतिरिक्त, डेटा रिकॉर्ड करने की गति के कारण अध्ययन एक विशिष्ट आवृत्ति सीमा तक सीमित था। भविष्य के अध्ययन, तेज़ रिकॉर्डिंग गति और अधिक सेंसरों के साथ, इस बारे में और भी अधिक विवरण प्रकट कर सकते कि ये तेज़ संकेत मस्तिष्क से स्कैल्प तक कैसे यात्रा करते हैं। हालाँकि, मुख्य निष्कर्ष सुदृढ़ है: मस्तिष्क की उच्च-आवृत्ति गतिविधि खोपड़ी में खो नहीं जाती है। यह वहाँ मौजूद है, सुनने की प्रतीक्षा कर रही है, और सही उपकरणों के साथ, हम इसे उन तरीकों से समझने के लिए उपयोग कर सकते हैं जो पहले असंभव माने जाते थे। यह संज्ञानात्मक स्वास्थ्य का आकलन करने और स्मृति एवं विचार को प्रभावित करने वाली स्थितियों के लिए नए उपचार विकसित करने के लिए बेहतर, गैर-आक्रामक (non-invasive) तरीकों के द्वार खोलता है।