Biological degeneracy preserves phase diagrams topology in excitable systems
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जैविक अपभ्रंश (biological degeneracy) हिंडमिश-रोज़ (Hindmarsh-Rose) और केटीज़ (KTz) जैसे उत्तेजक तंत्रों में चरण आरेखों (phase diagrams) की टोपोलॉजिकल संरचना को संरक्षित करता है, जिससे बाहरी धारा और उत्क्रमण विभव (reversal potential) जैसे प्रमुख नियंत्रण मापदंडों के आदान-प्र been होने पर भी व्यवहार अपरिवर्तित बना रहता है।
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हमारे हृदय और मस्तिष्क को शक्ति देने वाली जीवित कोशिकाओं के भीतर, एक निरंतर, लयबद्ध विद्युत संघर्ष चलता रहता है। ये कोशिकाएं, जिन्हें उत्तेजक प्रणाली (excitable systems) के रूप में जाना जाता है, केवल स्थिर नहीं रहतीं; वे बिजली के ऐसे स्पंदन उत्पन्न करती हैं जो शरीर में यात्रा करते हैं, हृदय को धड़कने और मस्तिष्क को सोचने का निर्देश देते हैं। इन स्पंदनों के कार्य करने के तरीके को समझने के लिए, वैज्ञानिक गणितीय मॉडल बनाते हैं—जो कोशिका की आंतरिक कार्यप्रणाली के सरलीकृत डिजिटल प्रतिनिधित्व होते हैं। ये मॉडल मानचित्रों की तरह कार्य करते हैं, जो दिखाते हैं कि विभिन्न स्थितियों में कोशिका कैसा व्यवहार करती है। इन मानचित्रों पर नियंत्रण नॉब (knobs) को समायोजित करके, शोधकर्ता देख सकते हैं कि कोशिका कैसे एक शांत विश्राम अवस्था से एक स्थिर लय, एक अराजक विस्फोट, या एक खतरनाक अनियमितता में बदल जाती है। इन मानचित्रों को समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि वही विद्युत पैटर्न जो हृदय को धड़कने में मदद करते हैं, जब गलत हो जाते हैं, तो घातक अतालता (arrhythmias) या दौरों का कारण बन सकते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इन व्यवहारों का अध्ययन करने के लिए दो विशिष्ट प्रकार के मानचित्रों पर निर्भर रहे हैं: एक जो कोशिका को समय के निरंतर प्रवाह (continuous flow) के रूप में मानता है, और दूसरा जो इसे असतत चरणों (discrete steps) की एक श्रृंखला के रूप में मानता है। हालांकि ये मानचित्र सतह पर अलग दिखते हैं, लेकिन लंबे समय से इनके बीच एक गहरा, छिपा हुआ संबंध होने का संदेह रहा है।
ब्राजील के शोधकर्ताओं की एक टीम ने, जिसका नेतृत्व आर. वी. स्टेंज़िंगर और एम. एच. आर. ट्रैगटेनबर्ग ने किया है, अब पुष्टि की है कि ये दो अलग-अलग मानचित्र जितने पहले समझा जाता था, उससे कहीं अधिक समान हैं। अपने हालिया कार्य में, उन्होंने दो प्रसिद्ध मॉडलों के पैरामीटर स्पेस का अन्वेदन किया: हिंडमार्श-रोज (Hindmarsh-Rose) मॉडल, जो कोशिका के वोल्टेज को एक सुचारू, बहती हुई वक्र के रूप में वर्णित करता है, और केटीजेड (KTz) मॉडल, जो इसे उछालों (jumps) की एक श्रृंखला के रूप में वर्णित करता है। मानक हिंडमार्श-रोज मानचित्र में, वैज्ञानिक आमतौर पर "बाहरी करंट" (external current) को समायोजित करते हैं—जो कोशिका पर बाहर से लगाया गया एक निरंतर विद्युत धक्का है—यह देखने के लिए कि सिस्टम कैसे बदलता है। हालांकि, मानक केटीजेड मानचित्र में, वे "रिवर्शल पोटेंशियल" (reversal potential) को समायोजित करते हैं, जो वह विशिष्ट विद्युत वोल्टेज है जिस पर एक आयन चैनल धकेलना या खींचना बंद कर देता है, जो प्रभावी रूप से एक प्राकृतिक आंतरिक स्विच के रूप में कार्य करता है। वर्षों तक, इन दोनों मानचित्रों का अलग-अलग अध्ययन किया गया था, इस धारणा के साथ कि उनके अलग-अलग नियंत्रण नॉब व्यवहार के अलग परिदृश्य की ओर ले जाएंगे। शोधकर्ताओं ने एक साहसी विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया: क्या होगा यदि वे इन नॉब्स को आपस में बदल दें? क्या होगा यदि वे केटीजेड मानचित्र को चलाने के लिए बाहरी करंट का उपयोग करें और हिंडमार्श-रोज को चलाने के लिए रिवर्शल पोटेंशियल का उपयोग करें?
इसका उत्तर खोजने के लिए, टीम ने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने यह निर्धारित करने के लिए कठोर गणितीय स्थिरता विश्लेषण (mathematical stability analysis) का उपयोग किया कि कोशिका कब दोलन (oscillate) करेगी और कब स्थिर रहेगी। उन्होंने कोशिका के धीमी गति वाले हिस्सों को लगभग स्थिर मानकर गणना की, जिससे वे सटीक रेखाओं की गणना कर सके जहाँ सिस्टम अपनी स्थिरता खो देता है और स्पंदन करना शुरू कर देता है। इस गणना ने सभी संभावित सेटिंग्स के स्थान में एक त्रि-आयामी संरचना को प्रकट किया, एक ऐसा आकार जो कोशिका द्वारा प्रदर्शित किए जाने वाले प्रत्येक व्यवहार को समाहित करता है। जब उन्होंने इस संरचना को नए द्वि-आयामी मानचित्र बनाने के लिए विभाजित किया, तो उन्हें एक उल्लेखनीय खोज हुई। जब उन्होंने केटीजेड मॉडल लिया और उसके आंतरिक रिवर्शल पोटेंशियल को बाहरी करंट से बदल दिया, तो परिणामी मानचित्र मूल के लगभग समान दिखाई दिया। कार्डियक-जैसे स्पाइकिंग, बर्स्टिंग और अराजक दोलनों के क्षेत्र बिल्कुल उन्हीं स्थानों पर दिखाई दिए। इसके विपरीत, जब उन्होंने हिंडमार्श-रोज मॉडल लिया और इसके बाहरी करंट को रिवर्शल पोटेंशियल से बदल दिया, तो नया मानचित्र मूल लेआउट को पूरी तरह से सुरक्षित रखता है। टोपोलॉजिकल संरचना—व्यवहारों का आकार और व्यवस्था—अपरिवर्तित रही।
मानचित्र के लेआउट का यह संरक्षण कोई संयोग नहीं है; यह जीव विज्ञान के एक मौलिक गुण का परिणाम है जिसे 'डिजेनेरेसी' (degeneracy) कहा जाता है। जटिल जैविक प्रणालियों में, विभिन्न भौतिक तंत्र बिल्कुल एक ही कार्यात्मक परिणाम उत्पन्न कर सकते हैं। इन कोशिकाओं के संदर्भ में, शोधकर्ताओं ने पाया कि बाहरी विद्युत धक्का बदलने का गणितीय प्रभाव, आयन चैनल के दिशा बदलने के आंतरिक वोल्टेज थ्रेशोल्ड को बदलने के समान है। यह ऐसा है जैसे कोशिका के पास उत्तेजना की एक ही अवस्था प्राप्त करने के दो अलग-अलग तरीके हैं, और प्रणाली इतनी मजबूत है कि एक को दूसरे से बदलने पर भी पैटर्न टूटता नहीं है। शोधकर्ताओं ने एक नया "उत्तेजक" (excitable) आरेख बनाकर इसका प्रदर्शन किया, जिसमें अब केटीजेड मॉडल के लिए बाहरी करंट शामिल है, और एक नया "ऑटोनॉमस" (autonomous) आरेख, जो अब बिना किसी बाहरी करंट के हिंडमार्श-रोज पर निर्भर है। दोनों नए आरेख अपने मूल समकक्षों में पाए गए जटिल व्यवहारों के समान पैटर्न प्रदर्शित करते हैं, जिसमें वे विशिष्ट क्षेत्र भी शामिल हैं जहाँ कोशिका हृदय कोशिकाओं के प्लेटो स्पाइक्स या न्यूरॉन्स के सबथ्रेशोल्ड ऑसिलेशन की नकल करती है।
इस खोज के निहितार्थ उन दो मॉडलों से परे हैं जिनका उन्होंने परीक्षण किया। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह घटना इस बात में निहित है कि कोशिका झिल्लियाँ (cell membranes) मूल रूप से कैसे कार्य करती हैं। एक वास्तविक कोशिका में, बिजली का प्रवाह आयन चैनलों के कंडक्टेंस (conductance) और झिल्ली के पार वोल्टेज अंतर के बीच के संतुलन द्वारा निर्धारित होता है। गणितीय रूप से, कंडक्टेंस या साम्यावस्था वोल्टेज को स्थानांतरित करना बाहरी करंट जोड़ने के समान प्रभाव पैदा कर सकता है। इसका अर्थ है कि मॉडलों में देखी गई डिजेनेरेसी संभवतः जैविक झिल्लियों की एक सार्वभौमिक विशेषता है, न कि केवल किसी विशिष्ट समीकरण की विचित्रता। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क और हृदय इस प्रकार निर्मित हैं कि वे अपने कार्यों को बनाए रखने के लिए एक रेडंडेंसी (redundancy) रखते हैं, भले ही व्यक्तिगत घटक बदल जाएं। यदि कोई बीमारी रक्त में आयनों की सांद्रता को बदल देती है, जिससे रिवर्शल पोटेंशियल बदल जाता है, तो कोशिका बाहरी संकेतों के प्रति अपनी संवेदनशीलता को समायोजित करके इसकी भरपाई कर सकती है, या इसके विपरीत। यह लचीलापन ही है जो जैविक प्रणालियों को एक शोर भरे, परिवर्तनशील वातावरण में स्थिर रहने की अनुमति देता है।
शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि इस निष्कर्ष की चिकित्सा उपचार के लिए सीधी प्रासंगिकता है। यदि एक बाहरी विद्युत उद्दीपन, जैसे कि डीप ब्रेन स्टिमुलेशन, आयनिक संतुलन में बदलाव के समान प्रभाव पैदा कर सकता है, तो डॉक्टरों के पास मिर्गी या हृदय अतालता जैसी स्थितियों के इलाज के लिए अधिक लचीलापन हो सकता है। इसके विपरीत, यदि कोई दवा आयनिक विन्यास को बदल देती है, तो उसे एक विशिष्ट विद्युत चिकित्सा के साथ संतुलित करना संभव हो सकता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि कोशिकीय व्यवहार का परिदृश्य पहले की तुलना में कहीं अधिक परस्पर जुड़ा हुआ है। इन गणितीय मानचित्रों पर नियंत्रण नॉब्स को बदलकर, शोधकर्ताओं ने परिणामों को अस्त-व्यस्त नहीं किया; बल्कि उन्होंने प्रकट किया कि जीवन की विद्युत लय की अंतर्निहित संरचना लचीली और अपरिवर्तनीय है। हृदय और मस्तिष्क के मानचित्र, जैसा कि पता चला है, एक ही स्याही से बने हैं, चाहे उन्हें ट्रेस करने के लिए किसी भी पेन का उपयोग किया जाए।
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