WTR: A Toolkit for Functional Anterograde Transsynaptic Circuit Mapping
लेखकों ने WTR विकसित किया है, जो एक बहुमुखी AAV-डिलीवर्ड फ्यूजन प्रोटीन टूलकिट है जो सेल-टाइप-विशिष्ट अग्रगामी ट्रांससिनैप्टिक लेबलिंग, डाउनस्ट्रीम न्यूरॉन्स की रिकॉर्डिंग और हेरफेर को सक्षम बनाता है ताकि तंत्रिका सर्किट का कार्यात्मक मानचित्रण किया जा सके, जैसा कि हाइपोथैलेमस में थर्मोरेगुलेटरी और स्ट्रेस-रिस्पॉन्स मार्गों के विच्छेदन में इसके अनुप्रयोग द्वारा प्रदर्शित किया गया है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
मस्तिष्क अरबों कोशिकाओं का एक विशाल नेटवर्क है, जिनमें से प्रत्येक हजारों अन्य कोशिकाओं से जुड़ी होती है, जो सांस लेने से लेकर सोचने तक सब कुछ नियंत्रित करने वाले जटिल सर्किट बनाती है। इस प्रणाली को कैसे काम करता है, यह समझने के लिए वैज्ञानिकों को इन कोशिकाओं के बीच के कनेक्शनों को मैप करने की आवश्यकता होती है, ठीक वैसे ही जैसे एक इलेक्ट्रीशियन यह देखने के लिए तारों का पता लगाता है कि घर की वायरिंग कैसे की गई है। दशकों से, शोधकर्ताओं के पास कनेक्शनों को पीछे की ओर ट्रेस करने के लिए शक्तिशाली उपकरण रहे हैं, जिससे यह पहचाना जा सके कि कौन सी कोशिकाएं एक विशिष्ट लक्ष्य को संकेत भेजती हैं। हालांकि, कनेक्शनों को आगे की ओर ट्रेस करना—यह देखना कि एक शुरुआती बिंदु से कौन सी कोशिकाएं संकेत प्राप्त करती हैं—कठिन बना हुआ है। मौजूदा उपकरण अक्सर सटीक नहीं होते, वे अध्ययन की जाने वाली कोशिकाओं के लिए विषाक्त हो सकते हैं, या विभिन्न प्रकार के न्यूरॉन्स के बीच अंतर करने में विफल रहते हैं। बिना किसी स्पष्ट तरीके के सिग्नल को आगे की ओर ट्रैक किए बिना, वैज्ञानिक संघर्ष करते हैं कि कैसे न्यूरॉन्स के विशिष्ट समूह जटिल व्यवहारों या शारीरिक प्रक्रियाओं को संचालित करते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए टूलकिट को विकसित किया है, जो उन्हें न्यूनतम नुकसान के साथ उच्च सटीकता के साथ मस्तिष्क के अग्रगामी पथों (forward pathways) को मैप करने की अनुमति देता है। उन्होंने WTR नामक एक आणविक उपकरण बनाया है, जो एक जेनेटिकली एनकोडेड ट्रेसर के रूप में कार्य करता है। यह उपकरण गेहूं के जर्म (wheat germ) में पाए जाने वाले एक प्रोटीन से बना है, जो तंत्रिका तंतुओं (nerve fibers) के साथ यात्रा करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है, लेकिन इसे एक विशिष्ट जेनेटिक निर्देश ले जाने के लिए पुन: इंजीनियर किया गया है। जब वैज्ञानिक इस उपकरण को न्यूरॉन्स के एक विशिष्ट समूह में पेश करते हैं, तो यह उपकरण सिनैप्स—वह सूक्ष्म अंतराल जहाँ न्यूरॉन्स संचार करते हैं—के पार यात्रा करता है और श्रृंखला में अगले सेट के न्यूरॉन्स तक पहुँच जाता है। एक बार वहां पहुँचने के बाद, यह एक जेनेटिक स्विच को सक्रिय करता है जो डाउनस्ट्रीम कोशिकाओं में एक फ्लोरोसेंट मार्कर, एक प्रकाश-संवेदी प्रोटीन, या एक रासायनिक सेंसर को चालू कर सकता है। यह शोधकर्ताओं को न केवल यह देखने की अनुमति देता है कि कनेक्शन कहाँ जाते हैं, बल्कि उनकी गतिविधि को रिकॉर्ड करने या यह देखने के लिए उन्हें नियंत्रित करने की भी अनुमति देता है कि वे जानवर के व्यवहार को कैसे प्रभावित करते हैं।
शोधकर्ताओं ने चूहों में इस नई प्रणाली का परीक्षण किया, जिसमें मस्तिष्क का एक क्षेत्र 'प्रीऑप्टिक एरिया ऑफ द एंटीरियर हाइपोथैलेमस' पर ध्यान केंद्रित किया गया, जो शरीर के तापमान और तनाव प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए जाना जाता है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या वे इस क्षेत्र में दो प्रकार के न्यूरॉन्स द्वारा लिए गए विभिन्न पथों के बीच अंतर कर सकते हैं: वे जो सिग्नल भेजने के लिए ग्लूटामेट नामक रसायन का उपयोग करते हैं और वे जो GABA का उपयोग करते हैं। अपने नए टूलकिट का उपयोग करते हुए, उन्होंने इन विशिष्ट शुरुआती न्यूरॉन्स में ट्रेसर इंजेक्ट किया और देखा कि वह कहाँ तक पहुँचा। उन्होंने पाया कि उपकरण लगभग विशेष रूप से आगे की दिशा में चला, अगले न्यूरॉन्स तक पहुँचा बिना महत्वपूर्ण रूप से पीछे की ओर यात्रा किए या आगे की रेखा में स्थित कोशिकाओं पर कूद पड़े। इसने पुष्टि की कि उपकरण बिना भटके या गलत कनेक्शन बनाए, एक तंत्रिका पथ के पहले चरण को सटीक रूप से मैप कर सकता है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि उपकरण अपने इच्छित कार्य को कर रहा है, टीम ने पुराने तरीकों के विरुद्ध इसकी तुलना की। उन्होंने पाया कि उनकी नई प्रणाली पिछले उपकरणों की तुलना में लक्ष्य न्यूरॉन्स को लेबल करने में अधिक कुशल थी, जिसने उन कनेक्शनों की सफलतापूर्वक पहचान की जिन्हें अन्य शायद मिस कर देते। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने सत्यापित किया कि लेबल किए गए न्यूरॉन्स वास्तव में शुरुआती कोशिकाओं से सीधे जुड़े हुए थे। इलेक्ट्रिकल रिकॉर्डिंग का उपयोग करके, उन्होंने दिखाया कि जब उन्होंने शुरुआती न्यूरॉन्स को उत्तेजित किया, तो लेबल किए गए लक्ष्य न्यूरॉन्स ने एक सीधा, सिंगल-स्टेप सिग्नल दिया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि टूल ने अप्रत्यक्ष के बजाय वास्तविक, प्रत्यक्ष कनेक्शनों की पहचान की थी।
मैपिंग की पुष्टि होने के बाद, शोधकर्ताओं ने इस टूलकिट का उपयोग यह पता लगाने के लिए किया कि ये विशिष्ट कनेक्शन वास्तव में क्या करते हैं। उन्होंने उन न्यूरॉन्स को लक्षित किया जिन्हें ग्लूटामेट छोड़ने वाले शुरुआती सेल्स से सिग्नल प्राप्त होते हैं और पाया कि ये कनेक्शन मस्तिष्क के उस क्षेत्र की ओर ले जाते हैं जो शरीर के तापमान को नियंत्रित करने में शामिल है। जब उन्होंने इन डाउनस्ट्रीम न्यूरॉन्स को कृत्रिम रूप से सक्रिय किया, तो चूहों के शरीर का तापमान गिर गया, जिससे पुष्टि हुई कि यह विशिष्ट पथ ऊष्मा हानि (heat loss) को नियंत्रित करता है। एक अलग प्रयोग में, उन्होंने उसी शुरुआती क्षेत्र से चिंता (anxiety) से जुड़े एक अलग मस्तिष्क क्षेत्र तक के कनेक्शनों को ट्रैक किया। जब उन्होंने इस दूसरे क्षेत्र में ग्लूटामेट-रिलीज़िंग स्टार्टर्स से सिग्नल प्राप्त करने वाले न्यूरॉन्स को सक्रिय किया, तो चूहों में बढ़ी हुई चिंता-जैसे व्यवहार देखे गए। इसके विपरीत, जब उन्होंने GABA-रिलीज़िंग शुरुआती न्यूरॉन्स के साथ समान प्रयोग किए, तो उन्होंने तापमान या चिंता पर ऐसा कोई प्रभाव नहीं पाया।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि नया टूलकिट सफलतापूर्वक विशिष्ट प्रकार के न्यूरॉन्स को उनके प्रत्यक्ष लक्ष्यों से जोड़ सकता है और फिर उन कनेक्शनों के कार्यों को प्रकट कर सकता है। मस्तिष्क के वायरिंग को ट्रैक करने की क्षमता को इन तारों को चालू या बंद करने की क्षमता के साथ जोड़कर, शोधकर्ता यह दिखाने में सक्षम थे कि एक ही मस्तिष्क क्षेत्र के विभिन्न प्रकार के न्यूरॉन विभिन्न गंतव्यों तक सिग्नल भेजते हैं ताकि विभिन्न व्यवहारों को नियंत्रित किया जा सके। यह अध्ययन वैज्ञानिकों के लिए मस्तिष्क की कार्यात्मक संरचना (functional architecture) का पता लगाने के लिए एक विश्वसनीय विधि स्थापित करता है, जो यह स्पष्ट दृश्य प्रदान करता है कि कैसे विशिष्ट तंत्रिका सर्किट जीवित जानवरों की जटिल शारीरिक क्रियाओं और व्यवहारों को संचालित करते हैं।
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