Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis

मस्तिष्क दुनिया को समझने के लिए बना एक यंत्र है, फिर भी इसके सबसे गहरे रहस्यों में से एक यह है कि कैसे कोशिकाओं का एक भौतिक नेटवर्क एक निजी, आंतरिक अनुभव को जन्म देता है। हम जानते हैं कि न्यूरॉन्स एक-दूसरे से जुड़ते हैं, अपनी धारणाओं और यादों को बनाने के लिए विद्युत आवेगों या रासायनिक फुसफुसाहट जैसे संकेतों को पास करते हैं। लेकिन इन कनेक्शनों का मानक मानचित्र, जिसे 'कनेक्टोम' कहा जाता है, अभी तक यह नहीं समझा पाया है कि मस्तिष्क "स्वयं" की भावना या किसी गंध या स्वाद का विशिष्ट अहसास कैसे पैदा करता है। 'सेम्बलेंस हाइपोथीसिस' (semblance hypothesis) नामक एक सैद्धांतिक विचार एक लापता कड़ी का प्रस्ताव करता है: कि जब मस्तिष्क दो चीजों को एक साथ जोड़ने के लिए सीखता है, तो शामिल न्यूरॉन्स के छोटे प्राप्त करने वाले सिरे इस तरह से शारीरिक रूप से स्पर्श कर सकते हैं या जुड़ सकते हैं जो उन्हें अपने संकेतों को सीधे साझा करने की अनुमति देता है। यदि यह सच है, तो मस्तिष्क मूल उद्दीपन (stimulus) की अनुपस्थिति में भी, दूसरी चीज के कनेक्शन को सक्रिय करके एक चीज की स्मृति उत्पन्न कर सकता है, जिससे एक प्रथम-व्यक्ति संवेदना (first-person sensation) पैदा होती है। यह परीक्षण करने के लिए कि क्या किसी जीवित जीव में ऐसा तंत्र मौजूद हो सकता है, शोधकर्ताओं ने एक ऐसे जीव की ओर रुख किया जिसका तंत्रिका तंत्र पूरी तरह से मैप करने के लिए पर्याप्त सरल, फिर भी सीखने और याद रखने के लिए पर्याप्त जटिल था।

इस जांच का विषय 'सी. एलिन्स' (C. elegans) नामक नेमाटोड कृमि है, जो एक छोटा जीव है जिसके वयस्क शरीर में ठीक 302 तंत्रिका कोशिकाएं होती हैं। वैज्ञानिकों ने शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करके इस कृमि के संपूर्ण वायरिंग आरेख को पहले ही पुनर्गठित कर लिया है, जिससे प्रत्येक न्यूरॉन के बीच प्रत्येक कनेक्शन का एक त्रि-आयामी मानचित्र तैयार हुआ है। इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने कृमि के मस्तिष्क के एक विशिष्ट भाग पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'नर्व रिंग' कहा जाता है, जिसमें लगभग 180 न्यूरॉन्स होते हैं। वे विशेष रूप से इस बात में रुचि रखते थे कि कृमि विभिन्न इंद्रियों को कैसे जोड़ना सीखता है, जैसे भोजन की गंध को उसके स्वाद से जोड़ना, या तापमान के अहसास को एक विशिष्ट स्थान के साथ जोड़ना। जिस सिद्धांत का वे परीक्षण कर रहे थे, उसने सुझाव दिया कि इन संबंधों के होने के लिए, भोजन, गंध और तापमान को महसूस करने वाली तंत्रिकाएं सभी एक एकल प्राप्त करने वाले न्यूरॉन पर अभिसरित (converge) होनी चाहिए, और उनके बीच के संबंध विद्युत के बजाय रासायनिक होने चाहिए। इसके अलावा, यदि यह सिद्धांत सही साबित होता है, तो इन संवेदी तंत्रिकाओं के प्राप्त करने वाले सिरे उस प्राप्त करने वाले न्यूरॉन के विशिष्ट स्थानों पर बहुत करीब से स्थित होने चाहिए, लगभग स्पर्श करते हुए, ताकि संकेतों को सीधे साझा किया जा सके।

शोधकर्ताओं ने कृमि के नर्व रिंग के तीन अलग-अलग, पूर्णतः पुनर्गठित मानचित्रों का परीक्षण किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या भोजन, गंध और तापमान को महसूस करने वाली तंत्रिकाएं वास्तव में वहां मिलती हैं जहां सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी। उन्होंने पाया कि भोजन को महसूस करने वाली तंत्रिकाएं, गंध को महसूस करने वाली तंत्रिकाएं और तापमान को महसूस करने वाली तंत्रिकाएं सभी अपना अधिकांश कनेक्शन एक एकल इंटरन्यूरॉन 'AIY' की ओर निर्देशित करती हैं। यह अभिसरण संयोग से कहीं अधिक विशिष्ट था; ये संवेदी तंत्रिकाएं कई उपलब्ध न्यूरॉन्स के बीच अपने कनेक्शन बेतरतीब ढंग से नहीं फैलाती थीं, बल्कि तीव्रता से इस एक लक्ष्य पर केंद्रित थीं। इसके अतिरिक्त, शोधकर्ताओं ने इन तंत्रिकाओं द्वारा बनाए गए कनेक्शन के प्रकार की भी जांच की। जबकि कृमि का तंत्रिका तंत्र विद्युत और रासायनिक दोनों प्रकार के लिंक का मिश्रण है, AIY न्यूरॉन पर इन संवेदी तंत्रिकाओं के कनेक्शन लगभग पूरी तरह से रासायनिक थे। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि आंतरिक संवेदनाओं को बनाने के लिए प्रस्तावित तंत्र रासायनिक संचरण (chemical transmission) पर निर्भर करता है, जो सीखने के लिए आवश्यक विशिष्ट और लचीले परिवर्तनों की अनुमति देता है, न कि विद्युत कनेक्शनों की कठोर और तत्काल प्रकृति पर।

परीक्षण का सबसे सूक्ष्म हिस्सा भौतिक निकटता की तलाश करना था। चूंकि कृमि की तंत्रिकाएं बड़े जानवरों में पाई जाने वाली जटिल शाखा संरचनाओं वाली नहीं होती हैं, इसलिए शोधकर्ताओं ने उन स्थानों की तलाश की जहां विभिन्न संवेदी तंत्रिकाओं के प्राप्त करने वाले सिरे AIY न्यूरॉन के ठीक उसी स्थान पर लैंड करते हैं। उन्होंने पाया कि भोजन को महसूस करने वाली तंत्रिकाएं वास्तव में AIY न्यूरॉन के एक तरफ कुछ विशिष्ट स्थानों पर एक साथ क्लस्टर (cluster) में थीं, जो उन्हें यादृच्छिक संभावना की तुलना में एक-दूसरे के बहुत करीब दिखाती थीं। यह क्लस्टरिंग गंध या तापमान को महसूस करने वाली तंत्रिकाओं के लिए नहीं देखी गई, और न ही वहां कोई विशेष क्लस्टरिंग देखी गई जहां विभिन्न इंद्रियों, जैसे भोजन और गंध, की तंत्रिकाएं आपस में मिलीं। यह पैटर्न बताता है कि मस्तिष्क के पास भोजन के अहसास को संसाधित करने के लिए एक स्थिर, अंतर्निहित संरचना है, जो अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण है, जबकि विभिन्न इंद्रियों, जैसे भोजन और गंध, के बीच के लिंक अधिक अस्थायी और लचीले हो सकते हैं, जो केवल तभी बनते हैं जब जीव एक नया संबंध सीखता है और शायद आवश्यकता समाप्त होने पर विलीन हो जाते हैं।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि इन तंत्रिकाओं की व्यवस्था में एक सुंदर समरूपता (symmetry) है। कृमि के शरीर के बाएं और दाएं तरफ की भोजन को महसूस करने वाली तंत्रिकाएं AIY न्यूरॉन पर एक दर्पण-छवि (mirror-image) पैटर्न में लैंड हुईं, जिसमें बाईं ओर की तंत्रिकाएं एक तरफ सेल बॉडी के करीब थीं और दाईं ओर की तंत्रिकाएं दूसरी तरफ करीब थीं। ये दो पक्ष अपने दूर के सिरों पर एक प्रत्यक्ष पुल द्वारा जुड़े हुए हैं, जिससे संकेतों को उनके बीच गुजरने की अनुमति मिलती है। यह व्यवस्था, फीडबैक लूप के साथ जहां AIY न्यूरॉन संवेदी तंत्रिकाओं को वापस संकेत भेजता है, एक ऐसे सर्किट का सुझाव देती जो दो पक्षों से इनपुट की तुलना करके कंपन कर सकता है या लयबद्ध रूप से बदल सकता है, जो संभावित रूप से कृमि को उसके पर्यावरण में नेविगेट करने में मदद करता है। हालांकि, शोधकर्ता इस बात पर सावधानी बरतते हुए नोट करते हैं कि हालांकि ये संरचनात्मक विशेषताएं सिद्धांत की भविष्यवाणियों से मेल खाती हैं, लेकिन ये इस बात का प्रमाण नहीं हैं कि तंत्र वास्तव में कैसे काम करता है। मानचित्र दिखाते हैं कि तंत्रिकाएं छूने के लिए पर्याप्त करीब हैं, लेकिन वे यह नहीं दिखा सकते कि वे वास्तव में जुड़ी हुई हैं या वे उस तरह से संकेत साझा कर रही हैं जैसा कि सिद्धांत वर्णन करता है।

अंततः, यह कार्य एक सिद्धांत के बारे में एक मजबूत संरचनात्मक आधार प्रदान करता है कि मस्तिष्क आंतरिक संवेदनाओं को कैसे बनाता है, यह दिखाते हुए कि कृमि का तंत्रिका तंत्र इस तरह के तंत्र को संभव बनाने के तरीके से व्यवस्थित है। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि संवेदी इनपुट एक विशिष्ट लक्ष्य पर अभिसरित होते हैं, वे सही प्रकार के रासायनिक संचरण का उपयोग करते हैं, और वे एक साथ क्लस्टर होते हैं जो प्रत्यक्ष बातचीत की अनुमति देने के लिए पर्याप्त है। फिर भी, विभिन्न इंद्रियों के बीच सीखे गए संबंधों के लिए समान क्लस्टरिंग की अनुपस्थिति यह बताती है कि ये लिंक कृमि के मस्तिष्क में स्थायी संरचनाएं नहीं हैं, बल्कि गतिशील और परिवर्तनशील होने की संभावना है। इस सिद्धांत की पुष्टि करने के लिए, वैज्ञानिकों को जीवित, सीखते हुए जीवों में इन कनेक्शनों का अवलोकन करने और यह सिद्ध करने की आवश्यकता होगी कि इस विशिष्ट व्यवस्था को बाधित करने से कृमि की धारणा या स्मृति रुक जाती है। फिलहाल, कृमि के मस्तिष्क का मानचित्र एक सम्मोहक झलक प्रदान करता है कि वह भौतिक वास्तुकला क्या हो सकती है जो सचेत अनुभव के शुरुआती चरणों के नीचे निहित है।