Role of slow temporal dynamics in the reliable activity of stochastically driven neurons
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि कैल्शियम-निर्भर पोटेशियम करंट (sAHP) का धीमा क्षय समय पैमाना (decay time scale), परस्पर निरोधात्मक न्यूरॉन्स को लो-पास फिल्टर और एक्शन पोटेंशियल काउंटर के रूप में कार्य करने में सक्षम बनाता है, जिससे स्टोकेस्टिक शोर के बावजूद सुदृढ़ लयबद्ध गतिविधि बनी रहती है और फायरिंग की गतिशील सीमा का विस्तार होता है।
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मस्तिष्क निरंतर, अराजक गति का एक स्थान है। तंत्रिका कोशिकाओं के बीच के सूक्ष्म अंतराल में, अणु आपस में टकराते हैं, विद्युत संकेत टिमटिमाते हैं, और वे द्वार जो कोशिका के माध्यम से बिजली को बहने देते हैं, एक अस्थिर और अप्रत्याशित तरीके से खुलते और बंद होते हैं। यह पृष्ठभूमि का शोर (स्टैटिक), जिसे 'नॉइज़' कहा जाता है, कोई दोष नहीं बल्कि जैविक जीवन की एक मौलिक विशेषता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात पर विचार कर रहे हैं कि मस्तिष्क कैसे सांस लेने, चलने या सोने के लिए आवश्यक स्थिर, विश्वसनीय लय बनाने में सक्षम होता है, जबकि इसके निर्माण खंड इतने स्वाभाविक रूप से अस्थिर हैं। यदि एक एकल तंत्रिका कोशिका यादृच्छिक त्रुटियों के प्रति प्रवृत्त है, तो हजारों कोशिकाओं के नेटवर्क मिलकर दिल की धड़कन को स्थिर रखने या पैर को एक आदर्श कदम में चलाने के लिए मिलकर कैसे काम करते हैं? इसका उत्तर संभवतः इस बात में निहित है कि ये कोशिकाएं आपस में कैसे जुड़ी हुई हैं और वे सिग्नल खोजने के लिए अराजकता को कैसे फ़िल्टर करती हैं।
हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने दो तंत्रिका कोशिकाओं के एक सरलीकृत मॉडल का उपयोग करके इस पहेली को समझने का प्रयास किया जो एक-दूसरे को बाधित (इनहिबिट) या शांत करती हैं। कल्पना कीजिए कि दो पड़ोसी बारी-बारी से चिल्ला रहे हैं; जब एक जोर से बोलता है, तो दूसरे को शांत रहना चाहिए, और इसके विपरीत। यह आगे-पीछे का स्विचिंग पैटर्न मस्तिष्क में एक सामान्य पैटर्न है, जो चलने और पाचन को नियंत्रित करने वाले सर्किटों में पाया जाता है। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट तंत्र पर ध्यान केंद्रित किया जो इन कोशिकाओं को भूमिकाएँ बदलने की अनुमति देता है: एक धीमी गति से कार्य करने वाली विद्युत धारा जो समय के साथ बढ़ती है। जब एक कोशिका फायर (सक्रिय) होती है, तो वह कैल्शियम को अंदर आने देती है, जो इस धीमी धारा को बढ़ने के लिए प्रेरित करता है। अंततः, धारा इतनी मजबूत हो जाती है कि वह कोशिका को फायर करने से रोक देती है, जिससे दूसरी कोशिका को कार्यभार संभालने का अवसर मिलता है। प्रश्न यह था कि क्या यह नाजुक स्विचिंग नृत्य, कोशिका के बाहर के शोर और कोशिका के अपने आंतरिक चैनलों के यादृच्छिक खुलने और बंद होने, दोनों के यादृच्छिक झटकों के बीच जीवित रह सकता है।
इन परस्पर क्रिया करने वाले दो न्यूरॉन्स के कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ काम करते हुए, टीम ने पाया कि शोर हमेशा लय को नष्ट नहीं करता; कभी-कभी, यह वास्तव में मदद करता है। उन्होंने पाया कि बाहरी दुनिया से कुछ मात्रा में यादृच्छिक विद्युत उतार-चढ़ाव जोड़ने से नेटवर्क को सक्रिय और शांत अवस्थाओं के बीच बहुत व्यापक गति सीमा के भीतर स्विच करने की अनुमति मिली। बिना इस शोर के, सिस्टम सीमित लयों के एक संकीर्ण सेट तक ही सीमित था। इसके साथ, न्यूरॉन्स एक विश्वसनीय ताल बनाए रख सकते थे भले ही उन्हें मिलने वाला इनपुट अव्यवस्थित या विविध हो। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क को कार्य करने के लिए सभी शोर को समाप्त करने की आवश्यकता नहीं हो सकती है; इसके बजाय, यह विभिन्न स्थितियों के अनुकूल होने की अपनी क्षमता को बढ़ाने के लिए शोर की उपस्थिति का उपयोग कर सकता है।
हालाँकि, शोर और विश्वसनीयता के बीच यह संबंध सरल नहीं है। शोधकर्ताओं ने देखा कि सिस्टम सबसे अधिक सुदृढ़ (रोबस्ट), या गलतियाँ करने की कम संभावना वाला, इनपुट करंट के एक विशिष्ट स्तर पर होता है। इस 'स्वीट स्पॉट' पर, स्विचिंग अपनी सबसे धीमी गति पर होती है, और नेटवर्क बाहरी व्यवधानों को अनदेखा करने में सबसे बेहतर होता है। जब इनपुट करंट अधिक था, तो शोर ने वास्तव में स्विचिंग को तेज़ कर दिया। यह विरोधाभासी परिणाम इसलिए होता है क्योंकि यादृच्छिक उतार-चढ़ाव आंतरिक कैल्शियम स्तरों को अधिक अनियमित रूप से ऊपर-नीचे करते हैं। धीमी गति से कार्य करने वाली धारा, जो इन उतार-चढ़ावों की एक दीर्घकालिक स्मृति की तरह कार्य करती है, इन यादृच्छिक उछालों को अधिक तेज़ी से संचित करती है, जिससे कोशिका को एक शांत वातावरण की तुलना में जल्दी फायर करने से रोका जा सके। यह तंत्र प्रभावी रूप से शोर को एक 'स्पीड-अप सिग्नल' में बदल देता है, जिससे नेटवर्क द्वारा उत्पन्न की जाने वाली लय की सीमा बढ़ जाती है।
अध्ययन ने इस पर भी गौर किया कि क्या होता है जब शोर कोशिका के भीतर से आता है, विशेष रूप से कैल्शियम चैनलों के यादृच्छिक रूप से खुलने में विफलता से। वास्तविक दुनिया में, ये चैनल कभी-कभी संकेत देने में चूक सकते हैं। शोधकर्ताओं ने इन छूटे हुए संकेतों का अनुकरण किया और पाया कि सिस्टम आश्चर्यजनक रूप से लचीला था। भले ही कैल्शियम पल्स यादृच्छिक रूप से स्किप (छूट) गए, नेटवर्क ने स्विच करना जारी रखा, हालांकि इसमें अधिक समय लगा। महत्वपूर्ण रूप से, छूटे हुए संकेत का समय बहुत मायने नहीं रखता था; चाहे सिग्नल फायरिंग के दौर की शुरुआत में छूटा हो या अंत में, कोशिका ने नुकसान की भरपाई करने के लिए कुछ बार अधिक फायर किया। यह व्यवहार बताता है कि धीमी धारा प्रत्येक सटीक समय के बजाय प्राप्त संकेतों की कुल संख्या को गिनने वाले एक काउंटर की तरह कार्य करती है। यह एक प्रकार का एकीकरण (इंटीग्रेशन) है जो इनपुट की अनियमितताओं को सुचारू बनाता है।
इन जटिल अंतःक्रियाओं को पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं को अपने कंप्यूटर सिमुलेशन चलाने का एक नया तरीका विकसित करना पड़ा। मानक तरीके अक्सर तब विफल हो जाते हैं जब किसी सिस्टम में बहुत अलग-अलग गति से चलने वाले हिस्से होते हैं, जैसे कि एक चैनल का तीव्र खुलना बनाम एक धारा का धीमा संचय। उन्होंने एक हाइब्रिड दृष्टिकोण बनाया जिसने तेज़, यादृच्छिक घटनाओं और धीमी, स्थिर परिवर्तनों को एक साथ अपडेट किया। इसने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि कैसे व्यक्तिगत चैनलों के छोटे, तेज़ झटके समय के साथ जुड़कर पूरे नेटवर्क की धीमी, स्थिर लय को प्रभावित करते हैं। उन्होंने पाया कि भले ही सैकड़ों चैनल थे, फिर भी उनके व्यवहार की यादृच्छिक प्रकृति लय की गति निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती थी, जो इस विचार को चुनौती देती है कि चैनलों की बड़ी संख्या हमेशा एक पूर्णतः सुचारू सिग्नल में औसत होकर समाप्त हो जाती है।
अंततः, यह कार्य जैविक प्रणालियों में एक शांत शक्ति को उजागर करता है। कैल्शियम-निर्भर धारा का धीमा क्षय (डिके) कोशिका के आंतरिक वातावरण के तीव्र, अराजक उतार-चढ़ाव को फ़िल्टर करने का कार्य करता है। समय के साथ इन संकेतों को एकीकृत करके, नेटवर्क अपने आसपास के शोर के निरंतर तूफान के बावजूद एक स्थिर, विश्वसनीय लय बनाए रख सकता है। संभावित व्यवहारों की सीमा को बढ़ाने के लिए यादृच्छिक शोर को एक उपयोगी उपकरण में बदलने की यह क्षमता बताती है कि मस्तिष्क की विश्वसनीयता अराजकता को दबाने से नहीं, बल्कि उसका लाभ उठाने से प्राप्त होती है। ये निष्कर्ष एक झलक देते हैं कि जीवन उस दुनिया में समय को कैसे बनाए रखता है जो मौलिक रूप से असंतुलित है।
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