Neural stem cells generate neurons in vitro which mimic their in vivo molecular identity and axon/dendrite morphology
यह शोध पत्र एक हैंगिंग ड्रॉप कल्चर प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है जो इन विट्रो (in vitro) ड्रोसोफिला न्यूरोब्लास्ट-व्युत्पन्न न्यूरॉन्स की दीर्घकालिक वृद्धि को सक्षम बनाता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि ये संवर्धित न्यूरॉन्स अपनी इन विवो (in vivo) आणविक पहचान, प्रसार दर और एक्सॉन/डेंड्राइट आकारिकी को पूरी तरह से दोहराते हैं, जिससे तंत्रिका विकास को नियंत्रित करने वाले संकेतों के अध्ययन के लिए एक सुदृढ़ मॉडल प्राप्त होता है।
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मस्तिष्क विशिष्ट कोशिकाओं का एक विशाल नेटवर्क है जिन्हें न्यूरॉन्स कहा जाता है, जिनमें से प्रत्येक का एक अनूठा आकार और एक विशिष्ट कार्य होता है। कुछ न्यूरॉन्स कई शाखाओं वाले सितारों की तरह दिखते हैं, जबकि अन्य लंबे और पतले होते हैं, जो संकेतों को भेजने के लिए शरीर के आर-पार पहुँचते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से यह जानना चाहते थे कि ये कोशिकाएं अपना आकार कैसे तय करती हैं। क्या यह इसलिए है क्योंकि कोशिका के भीतर ही निर्देश लिखे होते हैं, जैसे कि एक आनुवंशिक ब्लूप्रिंट? या क्या यह बाहरी दुनिया से मिलने वाले संकेतों के कारण है, जैसे कि एक शिक्षक छात्र का मार्गदर्शन करता है? उत्तर खोजने के लिए, शोधकर्ता आमतौर पर जीवित जानवरों के भीतर न्यूरॉन्स का अध्ययन करते हैं, जहाँ यह बताना कठिन होता है कि कौन सा कारक काम कर रहा है। वे कांच की डिशों में भी न्यूरॉन्स का अध्ययन करते हैं, लेकिन इनमें से अधिकांश प्रयोग उन कोशिकाओं के साथ शुरू होते हैं जो पहले से ही विकसित हो चुकी होती हैं और संबंध बना चुकी होती हैं, जिससे यह देखना कठिन हो जाता है कि वे सबसे पहले एक विशिष्ट प्रकार की कोशिका बनने का निर्णय कैसे लेती हैं।
ओरेगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया को बिल्कुल शुरुआत से होते हुए देखने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने स्टेम सेल्स (stem cells) से डिश में न्यूरॉन्स उगाने के लिए फल मक्खियों (fruit flies) का उपयोग किया, जो कि स्टेम सेल्स ही हैं—जो वे कच्चा माल हैं जो अंततः न्यूरॉन्स बन जाते हैं। इन स्टेम सेल्स को भ्रूण से बाहर की दुनिया के साथ किसी भी संपर्क से पहले ही हटाकर, वैज्ञानिकों ने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ इन कोशिकाओं को पूरी तरह से अपने स्वयं के आंतरिक निर्देशों पर निर्भर रहना पड़ा। शोधकर्ताओं ने पाया कि सामान्य पर्यावरणीय संकेतों के बिना भी, ये स्टेम सेल्स सफलतापूर्वक परिपक्व न्यूरॉन्स में बदल गईं। इन नई कोशिकाओं ने न केवल शाखाओं की सही संख्या विकसित की, बल्कि उसी आणविक पहचान को भी विकसित किया और उन भौतिक आकारों के प्रमुख पहलुओं को बनाए रखा जो उनके पास तब होते यदि वे जीवित मक्खी के भीतर ही रहते। यह सुझाव देता है कि एक विशिष्ट प्रकार के न्यूरॉन के निर्माण के निर्देश काफी हद तक कोशिका के भीतर ही मौजूद होते हैं, जो सक्रिय होने की प्रतीक्षा कर रहे होते हैं, हालांकि परिणामी आकार प्रकृति में पाए जाने वाले रूपों की सटीक प्रतिलिपि नहीं है।
वैज्ञानिकों ने अपना काम फल मक्खी के भ्रूणों को उनके विकास के एक बहुत ही विशिष्ट क्षण पर एकत्र करके शुरू किया, ठीक उसी समय जब स्टेम सेल्स विभाजित होना शुरू हो रही थीं। उन्होंने सावधानीपूर्वक भ्रूणों के बाहरी खोल को हटाया और एक सौम्य रासायनिक प्रक्रिया का उपयोग करके उन्हें व्यक्तिगत कोशिकाओं में तोड़ दिया। इन कोशिकाओं को फिर एक हैंगिंग ड्रॉप (hanging drop) के भीतर एक विशेष तरल माध्यम में रखा गया, जो कोशिकाओं को निलंबित और स्वस्थ रखता है। शोधकर्ताओं ने बारह घंटों की अवधि के दौरान इन कोशिकाओं को देखा, जो उस समय के अनुरूप है जो इन कोशिकाओं को मक्खी के भीतर परिपक्व होने में लगता है। उन्होंने देखा कि स्टेम सेल्स उसी गति से विभाजित और रूपांतरित हुईं जिस गति से वे शरीर के भीतर होती हैं। एक घंटे के भीतर, कोशिकाओं ने छोटी शाखाएं निकलना शुरू कर दिया, और बारह घंटों तक, ये शाखाएं लंबी, पतली स्ट्रैंड्स में विकसित हो गईं, जो जीवित जीव के भीतर न्यूरॉन्स की प्राकृतिक वृद्धि की नकल करती हैं।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे सही प्रकार की कोशिकाओं का अध्ययन कर रहे हैं, टीम ने विशिष्ट समूहों के न्यूरॉन्स को हरे रंग की चमक के साथ चमकाने के लिए एक जेनेटिक ट्रिक का उपयोग किया। उन्होंने न्यूरॉन्स के एक विशेष परिवार पर ध्यान केंद्रित किया जो आमतौर पर मक्खी के भीतर एक विशिष्ट पैटर्न में बनता है। जब उन्होंने अपनी डिश में चमकने वाली कोशिकाओं को गिना, तो उन्होंने पाया कि इन विशिष्ट न्यूरॉन्स की संख्या जीवित मक्खियों में पाई जाने वाली संख्या से मेल खाती थी। यह एक महत्वपूर्ण कदम था, जिसने यह सिद्ध किया कि डिश केवल यादृच्छिक कोशिकाएं नहीं उगा रही थी, बल्कि वह प्रकृति में पाए जाने वाले कोशिका प्रकारों के मिश्रण को वफादारी से पुन: निर्मित कर रही थी। शोधकर्ताओं ने यह भी जाँच की कि क्या कोशिकाएं अपने आंतरिक हिस्सों को सही ढंग से व्यवस्थित कर रही हैं। न्यूरॉन्स की दो मुख्य प्रकार की शाखाएं होती हैं: एक्सोन (axons), जो संकेत भेजते हैं, और डेंड्राइट्स (dendrites), जो उन्हें प्राप्त करते हैं। टीम ने पाया कि डिश में कोशिकाओं ने अपने आंतरिक कार्गो को सही ढंग से व्यवस्थित किया, सही सामग्री को एक्सोन को भेजा और सही सामग्री को डेंड्राइट्स को भेजा, ठीक वैसे ही जैसे वे एक जीवित जानवर में करते हैं।
शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज मोटर न्यूरॉन्स के एक समूह से संबंधित थी जो मांसपेशियों की गति को नियंत्रित करते हैं। एक जीवित मक्खी में, ये न्यूरॉन्स दो अलग-अलग आकारों में आते हैं: कुछ की दो मुख्य शाखाएं होती हैं, जबकि अन्य की केवल एक होती है। शोधकर्ताओं ने डिश में बढ़ते मोटर न्यूरॉन्स का अवलोकन किया और पाया कि उन्होंने इन समान आकारों को बनाए रखा। वे कोशिकाएं जिनका लक्ष्य दो-शाखाओं वाला बनना था, वे दो शाखाएं विकसित हुईं, और जो एक-शाखाओं वाली बनने के लिए बनी थीं, वे केवल एक ही शाखा विकसित हुईं। इसके अलावा, इन कोशिकाओं ने सही आणविक मार्कर (molecular markers) भी धारण किए, जो वे रासायनिक टैग हैं जो उन्हें विशिष्ट प्रकार के न्यूरॉन के रूप में पहचान देते हैं। यह सब तब हुआ जब कोशिकाएं कभी भी मक्खी के शरीर के जटिल वातावरण के संपर्क में नहीं आई थीं। परिणाम संकेत देते हैं कि न्यूरॉन की पहचान और आकार का ब्लूप्रिंट कोशिका के भीतर से ही निर्मित होता है, और इसे यह बताने के लिए बाहरी दुनिया की आवश्यकता नहीं होती कि उसे क्या बनना है, हालांकि अंतिम आकार (morphology) इन विवो (in vivo) रूप की सटीक प्रति नहीं है।
यह कार्य वैज्ञानिकों को यह अध्ययन करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करता है कि मस्तिष्क कैसे बनता है। डिश में न्यूरॉन्स उगाकर जहाँ बाहरी दुनिया को हटा दिया गया है, शोधकर्ता अब उन आंतरिक निर्देशों को अलग कर सकते हैं जो विकास को संचालित करते हैं। यह अध्ययन दर्शाता है कि जबकि पर्यावरण कई चीजों के लिए महत्वपूर्ण है, न्यूरॉन की पहचान और संरचना की मौलिक योजना उसके भीतर से आती है। यह खोज तंत्रिका विज्ञान (neuroscience) के एक लंबे समय से चले आ रहे प्रश्न को स्पष्ट करने में मदद करती है: कोशिकाएं कैसे जानती हैं कि वे कौन हैं? उत्तर यह प्रतीत होता है कि वे अपने साथ अपना स्वयं का मानचित्र लेकर चलती हैं, जो जन्म लेते ही अनुसरण करने के लिए तैयार रहता है।
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