An Open-Source Platform for Multimodal Electrical and Optical Mapping of Ex Vivo Hearts

हृदय एक पंप है, लेकिन यह एक विद्युत मशीन भी है। एक धड़कन के लिए, बिजली की एक लहर को मांसपेशी के माध्यम से सुचारू रूप से यात्रा करनी चाहिए, जो कोशिकाओं को बताती है कि उन्हें कब सिकुड़ना है। जब यह विद्युत संकेत उलझ जाता या बाधित हो जाता है, तो हृदय बहुत तेज़, बहुत धीमा, या एक अराजक लय में धड़क सकता है जिसे अतालता (arrhythmia) कहा जाता है। डॉक्टर इन खतरनाक लयों का इलाज हृदय की विद्युत गतिविधि का मानचित्रण करके करते हैं, यह पता लगाने की कोशिश करते हैं कि संकेत कहाँ गलत हो रहा है ताकि वे कैथेटर से इसे ठीक कर सकें। हालाँकि, डॉक्टरों द्वारा सतह पर देखे जाने वाले विद्युत संकेत वास्तव में मांसपेशी के भीतर गहराई में जो हो रहा होता है, उसका एक धुंधला संस्करण होते हैं। यह एक भीड़ की गति को समझने जैसा है जैसे कि केवल दीवार पर उनकी छाया को देखकर; आकार तो मौजूद है, लेकिन विवरण खो गए हैं। इन खतरनाक लयों को वास्तव में कैसे शुरू किया जाता है और उन्हें कैसे रोका जाए, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों को हृदय की विद्युत गतिविधि और हृदय की भौतिक संरचना को एक साथ, पूर्ण स्पष्टता के साथ देखने की आवश्यकता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया, ओपन-सोर्स प्लेटफॉर्म बनाया है जो वैज्ञानिकों को बिल्कुल यही करने की अनुमति देता है: शरीर के बाहर एक परफ्यूज्ड (perfusioned) अंग में हृदय के विद्युत संकेतों और इसकी भौतिक संरचना को एक साथ देखना। हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में, यह प्रणाली विभिन्न आकारों के दिलों के साथ काम करने के लिए डिज़ाइन की गई है, छोटे खरगोशों से लेकर बड़े सूअरों और यहाँ तक कि मानव हृदय तक जो प्रत्यारोपण के लिए उपयुक्त नहीं थे। शोधकर्ताओं ने एक सेटअप बनाया है जो तीन अलग-अलग तरीकों को जोड़ता है। सबसे पहले, वे वास्तविक समय में हृदय की मांसपेशियों के पार विद्युत तरंगों को देखने के लिए हाई-स्पीड कैमरों और विशेष रंगों (dyes) का उपयोग करते हैं, जिससे सक्रियण का एक विस्तृत मानचित्र बनता है। दूसरा, वे सूक्ष्म इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हैं जो हृदय की सतह को छूते हैं ताकि विद्युत संकेतों को ठीक वैसे ही रिकॉर्ड किया जा सके जैसे कि वे रोगी की प्रक्रिया के दौरान मापे जाते हैं। तीसरा, वे हृदय को एक चालक तरल पदार्थ (conductive liquid) से भरे टैंक में रखते हैं जो मानव शरीर की नकल करता है, जिससे वे दूर से विद्युत क्षेत्र को रिकॉर्ड कर सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक डॉक्टर मरीज की त्वचा पर देखता है। इन सभी मापों को सिंक्रोनाइज़ करके, टीम तुलना कर सकती है कि सतह पर, मांसपेशी के भीतर गहराई में, और आसपास के तरल पदार्थ में दूर क्या हो रहा है, और वह भी एक ही धड़कन के दौरान।

प्लेटफॉर्म का परीक्षण विभिन्न हृदय आकारों की अनूठी चुनौतियों से निपटने के लिए तीन अलग-अलग कॉन्फ़िगरेशन में किया गया था। छोटे दिलों के लिए, जैसे कि खरगोशों के, टीम ने एक ऐसा सेटअप उपयोग किया जिसने पूरे अंग को कई कोणों से कैप्चर किया। उन्होंने हृदय को एक टैंक में रखा और पैनोरमिक दृश्य प्राप्त करने के लिए तीन कैमरों का उपयोग किया, जबकि इलेक्ट्रोडों ने हृदय को छुआ और टैंक में लगे सेंसरों ने दूर के संकेतों को रिकॉर्ड किया। इसने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि पूरी हृदय की सतह पर विद्युत लहर कैसे चलती है और वह गति इलेक्ट्रोडों और टैंक द्वारा रिकॉर्ड किए गए संकेतों में कैसे परिवर्तित होती है। बड़े दिलों, जैसे कि सूअर और मनुष्यों के लिए, शोधकर्ताओं ने बड़े अंगों के अनुकूल होने के लिए सिस्टम को व्यवस्थित किया जबकि उन्हें बरकरार रखा। बड़े-हृदय संपूर्ण-अंग कॉन्फ़िगरेशन में, उन्होंने पारदर्शी इलेक्ट्रोड इंटरफेस का उपयोग किया जिससे कैमरों को टैंक की दीवारों के माध्यम से ऑप्टिकल डेटा और आसपास के तरल पदार्थ से विद्युत क्षमता को एक साथ कैप्चर करने की अनुमति मिली। एक अलग बड़े-हृदय कॉन्फ़िगरेशन में, शोधकर्ताओं ने आंतरिक और बाहरी सतहों को एक ही समय में देखने के लिए हृदय को विभाजित किया, जो जीवित रोगी में करना असंभव है। इस सेटअप ने खुलासा किया कि हृदय के अंदर के विद्युत पैटर्न बाहरी पैटर्न से बहुत अलग हो सकते हैं, विशेष रूपकर फाइब्रिलेशन जैसी अराजक लय के दौरान।

शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि उनका सिस्टम विभिन्न अवस्थाओं में हृदय को रिकॉर्ड करके काम करता है, जिसमें सामान्य लय, तीव्र धड़कन और अराजक फाइब्रिलेशन शामिल हैं। उन्होंने पाया कि हृदय की बिजली को मापने के विभिन्न तरीके हमेशा एक ही कहानी नहीं बताते हैं। उदाहरण के लिए, उच्च-रिज़ॉल्यूशन कैमरा दृश्य ने सक्रियण की एक चिकनी, निरंतर लहर दिखाई, जबकि इलेक्ट्रोड, जो केवल विशिष्ट बिंदुओं को छूते हैं, ने एक अधिक बिखरा हुआ चित्र दिखाया जिसे बिंदुओं को जोड़ने के लिए कंप्यूटर इंटरपोलेशन की आवश्यकता थी। टैंक से रिकॉर्ड किए गए संकेत, जो विद्युत क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करते हैं जो तरल पदार्थ के माध्यम से यात्रा करता है, और भी अलग दिखे, जिससे पता चला कि हृदय की मांसपेशी के जटिल पैटर्न शरीर की सतह तक पहुँचने से पहले कैसे सुचारू और परिवर्तित हो जाते हैं। ये अंतर त्रुटियाँ नहीं हैं; वे वास्तविक भौतिक घटनाएँ हैं जो घटित होती हैं क्योंकि प्रत्येक विधि विद्युत गतिविधि के एक अलग पहलू को मापती है। यह प्लेटफॉर्म वैज्ञानिकों को इन अंतरों को अगल-बगल देखने की अनुमति देता है, जिससे उन्हें यह समझने में मदद मिलती है कि एक उपचार जो मानचित्र पर अच्छा दिखता है वह रोगी में अपेक्षित रूप से काम क्यों नहीं करता है।

यह कार्य विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि शोधकर्ताओं ने पूरे सिस्टम को जनता के लिए उपलब्ध करा दिया है। उन्होंने सॉफ्टवेयर, इलेक्ट्रॉनिक डिज़ाइन और मैकेनिकल ब्लूप्रिंट साझा किए हैं ताकि अन्य प्रयोगशालाएं इस प्लेटफॉर्म के अपने संस्करण बना सकें। यह उस सामान्य अभ्यास से अलग है जहाँ ऐसी जटिल मशीनरी को मालिकाना हक (proprietary) के रूप में रखा जाता है या केवल एक टीम द्वारा बनाया जाता है। एक पुनरुत्पादनीय ढांचे (reproducible framework) प्रदान करके, लेखक हृदय की लय के अध्ययन को तेज करने और डॉक्टरों द्वारा निदान और उपचार के तरीकों को बेहतर बनाने की आशा करते हैं। यह प्रणाली हृदय रोग को तुरंत ठीक करने वाला कोई जादुई समाधान नहीं है, बल्कि यह हृदय की भौतिक संरचना और उसके विद्युत संकेतों के बीच जटिल संबंध को समझने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करती है। यह लैब में वैज्ञानिक देख सकते हैं ऐसे उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले चित्रों और क्लिनिक में डॉक्टर देखते हैं ऐसे विद्युत संकेतों के बीच के अंतर को पाटता है, जिससे यह स्पष्ट होता है कि जब हृदय का विद्युत तंत्र गलत होता है तो वह कैसे काम करता है।

अध्ययन में प्रयोगों के बाद हृदय के आकार का तीन-आयामी (3D) मॉडल बनाने की एक विधि भी शामिल थी। हृदय को धीरे-धीरे घुमाते हुए हर कोण से तस्वीरें लेकर, टीम एक डिजिटल मेश (digital mesh) बना सकी जो उपयोग किए गए अंग के सटीक आकार से मेल खाता था। यह मॉडल शोधकर्ताओं को अपने विद्युत और ऑप्टिकल मानचित्रों को एक वास्तविक आकार पर रखने में मदद करता है, जिससे यह दृश्यमान बनाना आसान हो जाता है कि संकेत कहाँ से आ रहे हैं। हालाँकि यह मॉडल केवल हृदय के बाहरी हिस्से को दिखाता है और मांसपेशी के अंदर या छिपी हुई दरारों को नहीं देख सकता, फिर भी यह डेटा और अंग की भौतिक वास्तविकता के बीच एक महत्वपूर्ण कड़ी प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि यह प्लेटफॉर्म भविष्य के अध्ययनों के लिए एक आधार है, जो वैज्ञानिकों को नई मैपिंग तकनीकों का परीक्षण करने और हृदय ऊतक के विभिन्न प्रकारों के माध्यम से विद्युत संकेतों के संचरण को बेहतर ढंग से समझने की अनुमति देता है।

अंत में, यह कार्य हृदय को देखने के विभिन्न तरीकों को एक साथ लाने के बारे में है। वर्षों से, वैज्ञानिकों को कैमरों के साथ हृदय को उच्च विवरण के साथ देखने या इलेक्ट्रोड के साथ उन विद्युत संकेतों को मापने के बीच चयन करना पड़ता था जिनका उपयोग डॉक्टर करते हैं। यह नया प्लेटफॉर्म उस विकल्प को समाप्त करता है, जिससे दोनों कार्य एक साथ हो सकते हैं। यह दिखाता है कि सतह पर रिकॉर्ड किए गए विद्युत संकेत मांसपेशी के भीतर जो हो रहा है उसका एक जटिल प्रतिबिंब हैं, और यह समझना कि यह संबंध क्या है, हृदय की लय संबंधी विकारों के लिए बेहतर उपचार विकसित करने की कुंजी है। इस तकनीक को खुला और अनुकूलन योग्य बनाकर, शोधकर्ताओं ने एक साझा संसाधन बनाया है जो संपूर्ण वैज्ञानिक समुदाय को हृदय की अतालता (arrhythmias) के रहस्यों को सुलझाने के करीब ले जाने में मदद कर सकता है। हृदय एक जटिल और महत्वपूर्ण अंग बना हुआ है, लेकिन इस तरह के उपकरणों के साथ, हम इसकी विद्युत जीवन को ऐसी स्पष्टता के साथ देख पा रहे हैं जो पहले पहुंच से बाहर थी।