Permeability of the extracellular space in the rat, mouse, and human brain
थ्री-डायमेंशनल इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी डेटा पर कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स का उपयोग करते हुए, इस अध्ययन ने चूहे, चूहे (माउस) और मानव मस्तिष्क में बाह्यकोशिकीय स्थान की पारगम्यता को लगभग 10 nm² के रूप में परिमाणित किया है, जिससे इन प्रजातियों में शारीरिक मॉडलिंग के लिए 10–100 nm² की अनुशंसित सीमा स्थापित हुई है।
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मस्तिष्क के भीतर गहराई में, उन घनीभूत कोशिकाओं के बीच जो सोचती, महसूस करती हैं और याद रखती हैं, सूक्ष्म चैनलों का एक छिपा हुआ नेटवर्क स्थित है। ये अंतराल, जिन्हें बाह्यकोशिकीय स्थान (एक्स्ट्रासेलुलर स्पेस) के रूप में जाना जाता है, एक तरल पदार्थ से भरे होते हैं जो इस अंग के लिए एक महत्वपूर्ण प्लंबिंग प्रणाली के रूप में कार्य करता है। यह तरल पदार्थ उस चयापचय अपशिष्ट (मेटाबॉलिक वेस्ट) को बहा ले जाता है जो कोशिकाएं काम करते समय उत्पन्न करती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक नदी किसी शहर से मलबा बहा ले जाती है। यदि यह सफाई प्रणाली विफल हो जाती है, तो विषाक्त प्रोटीन जमा हो सकते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो गंभीर तंत्रिका संबंधी रोगों से जुड़ी है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने यह समझा है कि यह तरल पदार्थ गति करता है, लेकिन वे इस बात को मापने में संघर्ष करते रहे हैं कि यह मस्तिष्क के ऊतकों के सूक्ष्म भूलभुलभैया के माध्यम से कितनी आसानी से बहता है। इस प्रवाह की गति 'पारगम्यता' (परमीएबिलिटी) नामक एक गुण पर निर्भर करती है, जो यह बताती है कि मार्ग कितने खुले या अवरुद्ध हैं। वास्तविक पारगम्यता को जाने बिना, यह मॉडल बनाना कठिन है कि मस्तिष्क खुद को कैसे साफ करता है या ऐसी दवाएं डिजाइन करना कठिन है जो इस तरल के माध्यम से अपने लक्ष्यों तक पहुंच सकें।
रोचेस्टर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब चूहों, मूषकों और मनुष्यों के मस्तिष्क में इस छिपे हुए प्लंबिंग की सीधी जांच की है। अनुमान लगाने या अप्रत्यक्ष माप पर भरोसा करने के बजाय, उन्होंने वास्तविक मस्तिष्क ऊतक की उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली त्रि-आयामी छवियों का उपयोग करके कोशिकाओं के बीच के स्थानों के डिजिटल मॉडल बनाए। फिर उन्होंने इन डिजिटल स्थानों के माध्यम से तरल के प्रवाह का अनुकरण (सिमुलेशन) किया ताकि यह सटीक रूप से गणना की जा सके कि वे कितने पारगम्य हैं। उनका कार्य प्रकट करता है कि जबकि मस्तिष्क की सफाई दक्षता इस बात पर बदलती है कि जानवर जाग रहा है या सो रहा है, इन विभिन्न प्रजातियों में तरल के बहने की मौलिक सहजता आश्चर्यजनक रूपست समान है। यह अध्ययन एक लंबे समय से चले आ रहे गणितीय नियम को भी चुनौती देता जिसका उपयोग वैज्ञानिक वर्षों से इन मानों का अनुमान लगाने के लिए करते आए हैं, जो दिखाता है कि पुराना नियम लगातार इस बात को कम आंकता है कि मस्तिष्क के मार्ग वास्तव में कितने खुले हैं।
शोधकर्ताओं ने जो किया उसे समझने के लिए, सबसे पहले मस्तिष्क को एक ठोस ब्लॉक के रूप में नहीं, बल्कि अरबों कोशिकाओं से बने एक स्पंज के रूप में कल्पना करनी होगी। मस्तिष्क को साफ करने वाला तरल इन कोशिकाओं के बीच के छोटे अंतरालों से बहता है। अतीत में, वैज्ञानिकों ने इन अंतरालों की चौड़ाई और तरल कितनी तेजी से बहता है, इसका अनुमान लगाने की कोशिश की है, लेकिन परिणाम बहुत भिन्न रहे हैं, जिनमें से कुछ अनुमानों ने सुझाव दिया कि तरल बहुत धीरे चलता है और अन्य ने सुझाव दिया कि यह बहुत तेजी से बहता है। यह अनिश्चितता इस तथ्य से उत्पन्न होती है कि मस्तिष्क अविश्वसनीय रूप से जटिल है, और कोशिकाओं के बीच के अंतराल मानक उपकरणों के साथ स्पष्ट रूप से देखने के लिए बहुत छोटे हैं। इस अध्ययन में शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी डेटा का उपयोग करके इन सीमाओं को पार किया, जो मस्तिष्क की संरचना का एक ऐसा दृश्य प्रदान करता है जहाँ व्यक्तिगत कोशिकाएं और उनके सूक्ष्म अंतराल दिखाई देते हैं। उन्होंने चूहों, मूषकों और मनुष्यों के मस्तिष्क से ये विस्तृत चित्र लिए और उन्हें कंप्यूटर मॉडल में बदल दिया।
इन कंप्यूटर मॉडलों में, शोधकर्ता कोशिकाओं के बीच के अंतरालों के आकार को नियंत्रित कर सकते थे। वे जानते थे कि चेतना की अवस्था के साथ मस्तिष्क का आयतन बदल जाता है; उदाहरण के लिए, जब कोई जानवर सो रहा होता है तो कोशिकाओं के बीच के अंतराल फैल जाते हैं और जब वह जाग रहा होता है तो सिकुड़ जाते हैं। इन डिजिटल अंतरालों को कृत्रिम रूप से चौड़ा और संकरा करके, टीम यह देख सकी कि तरल के प्रवाह में कैसे परिवर्तन होता है। उन्होंने इन मॉडलों के माध्यम से तरल को धकेलने के लिए एक हल्का दबाव डाला और मापा कि एक निश्चित समय में कितना तरल प्रवाहित हुआ। इसने उन्हें प्रत्येक विशिष्ट कोशिका व्यवस्था के लिए पारगम्यता, या प्रवाह की सहजता, की गणना करने की अनुमति दी। उन्होंने परिणामों की निरंतरता सुनिश्चित करने और यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह केवल एक स्थान का संयोग नहीं है, प्रत्येक मस्तिष्क के भीतर कई स्थानों के लिए ये गणनाएँ कीं।
परिणामों ने दिखाया कि मस्तिष्क की सफाई प्रणाली की पारगम्यता तीनों प्रजातियों में समान परिमाण की है। चूहे के मस्तिष्क के लिए, औसत पारगम्यता लगभग 18 वर्ग नैनोमीटर थी। मूषक के मस्तिष्क के लिए, यह लगभग 34 वर्ग नैनोमीटर थी, और मानव मस्तिष्क के लिए, यह लगभग 10 वर्ग नैनोमीटर थी। हालांकि ये संख्याएं कुछ गुना भिन्न हैं, फिर भी वे सभी एक ही सामान्य श्रेणी के भीतर हैं, जो यह सुझाव देती है कि इन स्तनधारियों में तरल प्रवाह का बुनियादी भौतिक विज्ञान संरक्षित है। शोधकर्ताओं ने पाया कि पारगम्यता अंतरालों के आकार के साथ नाटकीय रूप से बदल जाती है। जब उन्होंने नींद की स्थिति के समान, यानी व्यापक अंतराल वाली स्थिति में मस्तिष्क का अनुकरण किया, तो पारगम्यता काफी बढ़ गई। चूहे के मस्तिष्क में, अंतराल चौड़ा करने से पारगम्यता लगभग पांच गुना बढ़ गई। मूषक के मस्तिष्क में, यह वृद्धि और भी नाटकीय थी, जो बारह गुना से अधिक बढ़ गई। मानव मस्तिष्क में, पारगम्यता लगभग नौ गुना बढ़ गई। यह पुष्टि करता है कि मस्तिष्क द्वारा कचरा बाहर निकालने की क्षमता कोशिकाओं के बीच के स्थानों के भौतिक विस्तार पर अत्यधिक निर्भर है, जो इस बात का यांत्रिक स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि मस्तिष्क स्वास्थ्य के लिए नींद इतनी महत्वपूर्ण क्यों है।
अध्ययन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा एक मानक सूत्र का परीक्षण करने के लिए समर्पित था जिसका उपयोग वैज्ञानिक दशकों से मिट्टी या रेत जैसी छिद्रपूर्ण सामग्रियों में पारगम्यता का अनुमान लगाने के लिए करते आए हैं। कोज़ेनी-कारमन (Kozeny-Carman) समीकरण के रूप में ज्ञात इस सूत्र को शोधकर्ताओं ने अपने मस्तिष्क डेटा पर लागू किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह कायम रहता है। उन्होंने पाया कि यह सूत्र लगातार उनके सिमुलेशन में देखे गए वास्तविक प्रवाह की भविष्यवाणी करने में विफल रहा। हर मामले में, सूत्र ने भविष्यवाणी की कि तरल वास्तव में होने की तुलना में बहुत धीमी गति से चलेगा। इसने तीनों प्रजातियों में पारगम्यता को आधे से अधिक कम करके आंका। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क की सूक्ष्म संरचना बहुत जटिल और अद्वितीय है कि यह सामान्य उद्देश्य वाला समीकरण सटीक रूप से काम नहीं कर सकता।
भविष्य के अनुसंधान के लिए एक बेहतर उपकरण प्रदान करने के लिए, टीम ने अपने सिमुलेशन डेटा के आधार पर एक नया, सरल गणितीय संबंध विकसित किया। यह नया सूत्र बताता है कि जैसे-जैसे कोशिकाओं के बीच के अंतराल बड़े या छोटे होते हैं, पारगम्यता कैसे बदलती है। पुराने सूत्र के विपरीत, यह नया संबंध उनके विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के परिणामों से बहुत करीब से मेल खाता है। यह वैज्ञानिकों को यह अनुमान लगाने का एक अधिक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है कि नींद या जागने जैसी विभिन्न स्थितियों के दौरान मस्तिष्क के ऊतकों के माध्यम से तरल कितनी तेजी से चल सकता है। शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि कोशिकाओं के आकार में परिवर्तन का विशिष्ट तरीका मायने रखता है या नहीं। उन्होंने एक परिदृश्य की तुलना की जहाँ सभी कोशिकाएं समान रूप से सिकुड़ती या फैलती हैं, बनाम एक परिदृश्य जहाँ केवल तारे के आकार वाली सहायक कोशिकाएं, जिन्हें एस्ट्रोसाइट्स (astrocytes) कहा जाता है, आकार बदलती हैं जबकि अन्य स्थिर रहती हैं। उन्होंने पाया कि दोनों विधियों ने तरल प्रवाह के लिए लगभग समान परिणाम दिए। यह संकेत देता है कि मस्तिष्क की सफाई दक्षता मुख्य रूप से अंतरालों के कुल आयतन द्वारा नियंत्रित होती है, चाहे कौन सी विशिष्ट कोशिकाएं सूज रही हों या सिकुड़ रही हों।
अध्ययन ने मस्तिष्क से कचरा कितनी तेजी से निकाला जाता है, इससे जुड़े एक पिछले रहस्य को भी संबोधित किया। कुछ पिछले मॉडलों ने सुझाव दिया था कि मस्तिष्क को कचरे को कितनी जल्दी हटाया जाता है, यह समझाने के लिए बहुत उच्च पारगम्यता की आवश्यकता होती है, जो शोधकर्ताओं द्वारा अपने सिमुलेशन में पाए गए मान से बहुत अधिक था। वेंट्रिकल्स (ventricles), यानी मस्तिष्क के केंद्र में तरल से भरी गुहाओं के माध्यम से कचरा बाहर निकलने के लिए एक विशिष्ट मार्ग को शामिल करके अपने मॉडल को परिष्कृत करते हुए, शोधकर्ता कचरा निकासी के प्रयोगात्मक अवलोकनों से मेल खाने में सक्षम रहे, जिसमें उनके द्वारा मापी गई कम, अधिक यथार्थवादी पारगम्यता मानों का उपयोग किया गया था। यह निष्कर्ष बताता है कि मस्तिष्क को प्रभावी ढंग से कचरा निकालने के लिए पहले की तुलना में इतनी पारगम्य होने की आवश्यकता नहीं है, बशर्ते कि वेंट्रिकल्स के माध्यम से निकास मार्गों को ठीक से शामिल किया जाए।
शोधकर्ताओं ने स्वीकार किया कि उनके कार्य की सीमाएं हैं। उन्होंने जिन छवियों का उपयोग किया था, वे मस्तिष्क के ऊतकों से ली गई थीं जिन्हें रसायनों से संरक्षित किया गया था, एक ऐसी प्रक्रिया जो कभी-कभी कोशिकाओं के बीच के अंतरालों को सिकोड़ सकती है या उनके आकार को बदल सकती है। उन्होंने यह भी नोट किया कि उनके मॉडलों ने कोशिकाओं को कठोर वस्तुओं के रूप में माना, जबकि वास्तविक कोशिकाएं नरम और विरूपणीय (deformable) हो सकती हैं। हालाँकि, उन्होंने कोशिका की कोमलता के प्रभाव का परीक्षण किया और पाया कि इसका प्रवाह पर बहुत कम प्रभाव पड़ा। इन सीमाओं के बावजूद, यह अध्ययन मस्तिष्क के बाह्यकोशिकीय स्थान की पारगम्यता की अब तक की सबसे प्रत्यक्ष और विस्तृत झलक प्रदान करता है। मस्तिष्क के वास्तविक, त्रि-आयामी मानचित्रों का उपयोग करके और व्यापक अनुमानों से हटकर, टीम ने मानव मस्तिष्क और हमारे निकटतम पशु रिश्तेदारों के मस्तिष्क में तरल कैसे घूमता है, इसे समझने के लिए एक नया आधार स्थापित किया है। उनका कार्य सुझाव देता है कि मस्तिष्क की सफाई प्रणाली एक मजबूत, भौतिक रूप से बाधित प्रक्रिया है जो एक अनुमानित सीमा के भीतर संचालित होती है, जो यह समझने के लिए एक स्पष्ट आधार प्रदान करती है कि मस्तिष्क अपने स्वास्थ्य को कैसे बनाए रखता है और बीमारी में यह कैसे विफल हो सकता है।
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