Mouse spatial transcriptomics implicates the thalamus and cortex in autism and schizophrenia

द दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि ऑटिज्म और सिज़ोफ्रेनिया जैसी स्थितियां हमारे जीन में गहराई से निहित हैं। हमने सैकड़ों विशिष्ट जीन की पहचान की है जो इन विकारों के विकसित होने के जोखिम को बढ़ाते हैं। हालांकि, जेनेटिक सूची जानना कहानी का केवल आधा हिस्सा है। यह समझने के लिए कि ये स्थितियां वास्तव में कैसे काम करती हैं, शोधकर्ताओं को यह पता लगाना होगा कि ये जीन मस्तिष्क में कहां सबसे अधिक सक्रिय हैं। यह एक कार में एक विशिष्ट इंजन भाग को खोजने जैसा है; यह जानना कि भाग मौजूद है उपयोगी है, लेकिन यह जानना कि वह वास्तव में किस इंजन का हिस्सा है, वही आपको कार को ठीक करने की अनुमति देता है। जटिल मस्तिष्क विकारों के लिए, "इंजन" संपूर्ण मस्तिष्क है, और शामिल सटीक क्षेत्रों का पता लगाना अविश्वसनीय रूप से कठिन रहा है क्योंकि मस्तिष्क विशाल है, और जेनेटिक संकेत अक्सर सूक्ष्म और फैले हुए होते हैं।

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन फ्रांसिस्को और ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक नया दृष्टिकोण अपनाया है। मस्तिष्क को एक संपूर्ण इकाई के रूप में देखने या केवल एक छोटे से हिस्से पर ध्यान केंद्रित करने के बजाय, उन्होंने 'स्पेशियल ट्रांसक्रिप्टोमिक्स' नामक तकनीक का उपयोग किया। यह विधि वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति देती है कि ऊतक के नमूने (टिशू सैंपल) के भीतर विशिष्ट स्थानों पर कौन से जीन सक्रिय हैं, जो अनिवार्य रूप से मस्तिष्क में जेनेटिक गतिविधि का एक मानचित्र तैयार करती है। वयस्क चूहों के मस्तिष्क पर इस तकनीक को लागू करके, शोधकर्ता मस्तिष्क के एक विस्तृत क्रॉस-सेक्शन को स्कैन करने और ऑटिज्म और सिज़ोफ्रेनिया से जुड़े ज्ञात जीनों की गतिविधि को मापने में सक्षम हुए। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये जोखिम वाले जीन मस्तिष्क के विशिष्ट पड़ोसों में एक साथ क्लस्टर (समूहबद्ध) होते हैं, जो यह सुझाव देगा कि वे क्षेत्र इन विकारों के लिए केंद्रीय हैं।

शोधकर्ताओं ने वयस्क चूहों के मस्तिष्क के ऊतकों के पतले स्लाइस तैयार करके शुरुआत की, जिससे एक ऐसा दृश्य प्राप्त हुआ जो मस्तिष्क के सामने से पीछे तक और ऊपर से नीचे तक फैला हुआ था। उन्होंने इन स्लाइसेस को एक विशेष स्लाइड पर रखा जो ऊतक के हजारों छोटे बिंदुओं से जेनेटिक सामग्री को कैप्चर कर सकती थी। प्रत्येक बिंदु में पाए गए जीनों के अनुक्रमण (सीक्वेंसिंग) के बाद, उन्होंने कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग करके इन बिंदुओं को उनके जेनेटिक प्रोफाइल के आधार पर अलग-अलग समूहों में वर्गीकृत किया। ये क्लस्टर स्वाभाविक रूप से ज्ञात शारीरिक संरचनाओं के साथ संरेखित थे, जैसे कि कॉर्टेक्स (मस्तिष्क की बाहरी परत), हिप्पोकैम्पस (स्मृति से संबंधित), और थैलेमस (मस्तिष्क के भीतर एक रिले स्टेशन)। अपने निष्कर्षों की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, टीम ने इस तथ्य को सुधारा कि कुछ मस्तिष्क क्षेत्रों में स्वाभाविक रूप से अन्य क्षेत्रों की तुलना में अधिक तंत्रिका कोशिकाएं होती हैं, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि परिणाम केवल सेल घनत्व के बजाय वास्तविक जीन गतिविधि को दर्शाते हैं।

जब उन्होंने ऑटिज्म से जुड़े जीनों का विश्लेषण किया, तो शोधकर्ताओं ने एक चौंकाने वाला पैटर्न पाया। जीन समान रूप से वितरित नहीं थे; इसके बजाय, वे थैलेमस में सबसे अधिक केंद्रित थे, जो एक गहरा मस्तिष्क संरचना है जो मस्तिष्क के विभिन्न हिस्सों को जोड़ता है। कॉर्टेक्स और मुख्य घ्राण कंद (ऑल्फैक्टरी बल्ब), जो गंध को प्रोसेस करता है, ने भी इन जीनों का उच्च स्तर दिखाया। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी क्योंकि, जबकि कॉर्टेक्स को लंबे समय से ऑटिज्म में संदिग्ध माना जाता रहा है, थैलेमस को इस तरह से प्राथमिक हॉटस्पॉट के रूप में उजागर नहीं किया गया था। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह संवर्धन (एनरिचमेंट) इतना मजबूत था कि यदि वे विश्लेषण से सबसे सक्रिय जीन को भी हटा देते, तो भी थैलेमस शीर्ष स्थान बना रहता। उन्होंने यह भी पाया कि विशिष्ट जीन, जैसे कि कोशिका संचार और सिग्नलिंग में शामिल जीन, अन्य क्षेत्रों की तुलना में थैलेमस में विशेष रूप से सक्रिय थे।

सिज़ोफ्रेनिया के लिए तस्वीर समान थी लेकिन इसमें कुछ स्पष्ट अंतर थे। सिज़ोफ्रेनिया से जुड़े जीन भी थैलेमस और कॉर्टेक्स में अत्यधिक समृद्ध थे। हालांकि, इनके अलावा, हिप्पोकैम्पस ने ऑटिज्म की तुलना में सिज़ोफ्रेनिया के लिए बहुत मजबूत संकेत दिखाया। ऑल्फैक्टरी बल्ब भी सिज़ोफ्रेनिया जीनों के लिए एक प्रमुख हॉटस्पॉट था। शोधकर्ताओं ने देखा कि जबकि दोनों विकार कुछ जेनेटिक आधार साझा करते हैं—दोनों थैलेमस और कॉर्टेक्स में मजबूत गतिविधि दिखाते हैं—उनके पास अद्वितीय हस्ताक्षर भी हैं। उदाहरण के लिए, हिप्पोकैम्पस सिज़ोफ्रेनिया के लिए अधिक प्रमुख भूमिका निभाता प्रतीत हुआ, जबकि थैलेमस ऑटिज्म के लिए सबसे अधिक समृद्ध क्षेत्र था।

अध्ययन ने यह भी देखा कि ये निष्कर्ष इन विकारों के लक्षणों से कैसे संबंधित हैं। शोधकर्ताओं ने बताया कि थैलेमस इंद्रियों और कॉर्टेक्स के बीच एक सेतु के रूप में कार्य करता है, जो सूचनाओं को फिल्टर और प्रोसेस करने में मदद करता है। तथ्य यह है कि ऑटिज्म से जुड़े जीन यहाँ इतने सक्रिय हैं, यह सुझाव देता है कि विकार में मस्तिष्क द्वारा संवेदी जानकारी को फिल्टर करने और जोड़ने के तरीके में एक मौलिक समस्या हो सकती है। इसी तरह, हिप्पोकैम्पस और थैलेमस में सिज़ोफ्रेनिया जीनों की मजबूत उपस्थिति सिज़ोफ्रेनिया में देखी जाने वाली स्मृति और संवेदी प्रसंस्करण संबंधी कठिनाइयों के अनुरूप है। शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि ये निष्कर्ष यह नहीं बताते कि मस्तिष्क का एक एकल भाग इन विकारों का कारण बनता है। इसके बजाय, परिणाम बताते हैं कि ये स्थितियां कई मस्तिष्क क्षेत्रों के बीच जटिल अंतःक्रियाओं से उत्पन्न होती हैं, जहाँ थैलेमस और कॉर्टेक्स महत्वपूर्ण केंद्रों के रूप में कार्य करते हैं।

हालांकि यह अध्ययन एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है कि ये जीन कहाँ सबसे अधिक सक्रिय हैं, शोधकर्ता इसकी सीमाओं को लेकर भी सावधान रहे। यह अध्ययन वयस्क चूहों पर किया गया था, और विकास के दौरान मस्तिष्क बदलता रहता है, इसलिए परिणाम विकसित होते मानव मस्तिष्क में भिन्न हो सकते हैं। इसके अतिरिक्त, उनके द्वारा विश्लेषित स्लाइसेस में सेसेलेब्रम (सेरिबेलम) या अमिगडाला जैसे मस्तिष्क के हर हिस्से को शामिल नहीं किया गया था। इन बाधाओं के बावजूद, यह कार्य मस्तिष्क के जेनेटिक परिदृश्य को देखने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान करता है। यह दिखाकर कि ऑटिज्म और सिज़ोफ्रेनिया के जीन विशिष्ट, साझा और भिन्न क्षेत्रों में क्लस्टर होते हैं, यह अध्ययन इन जटिल स्थितियों के अंतर्निहित भौतिक सर्किट को समझने की दिशा में क्षेत्र को आगे बढ़ाता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के उपचारों को पूरे मस्तिष्क के बजाय इन विशिष्ट नेटवर्क को लक्षित करने की आवश्यकता हो सकती है, जो इन चुनौतीपूर्ण विकारों को समझने और उनके उपचार के लिए एक अधिक सटीक मार्ग प्रदान करता है।