मानव मस्तिष्क की सबसे बाहरी परतों में स्थित कोशिकाएं एक विशेष प्रकार के विद्युत संकेत उत्पन्न करती हैं जो उन्हें कंप्यूटिंग शक्ति के एक अतिरिक्त बढ़ावा दे सकती हैं, नए शोध से पता चलता है। अध्ययन लेखकों के अनुसार, यह संकेत मनुष्यों के लिए अद्वितीय हो सकता है - और हमारी अनूठी बुद्धिमत्ता को समझा सकता है।
मस्तिष्क की कोशिकाएं, या न्यूरॉन्स, एक दूसरे के साथ संचार करने के लिए इन केबलों के साथ लंबे, शाखाओं में बंटी और शटल संदेशों के माध्यम से लिंक करते हैं। प्रत्येक न्यूरॉन में एक आउटगोइंग वायर होता है, जिसे एक एक्सोन कहा जाता है, और एक तार जो आने वाले संदेशों को प्राप्त करता है, जिसे डेंड्राइट के रूप में जाना जाता है। डेन्ड्राइट विद्युत गतिविधि के फटने के माध्यम से बाकी न्यूरॉन की जानकारी पर गुजरता है। मस्तिष्क को कैसे तार दिया जाता है, इसके आधार पर, प्रत्येक डेंड्राइट को इसकी लंबाई के साथ अन्य न्यूरॉन्स से सैकड़ों हजारों संकेत प्राप्त हो सकते हैं। जबकि वैज्ञानिकों का मानना है कि ये विद्युत स्पाइक मस्तिष्क को तार करने में मदद करते हैं और सीखने और स्मृति जैसी क्षमताओं को कम कर सकते हैं, मानव अनुभूति में डेंड्राइट्स की सटीक भूमिका एक रहस्य बनी हुई है।
अब, शोधकर्ताओं ने मानव डेंड्राइट्स में बिजली के स्पाइक के एक नए स्वाद का खुलासा किया है - एक वे सोचते हैं कि कोशिकाओं को एक बार एक ही न्यूरॉन के लिए बहुत जटिल सोचने के लिए गणना करने की अनुमति मिल सकती है। जर्नल साइंस में प्रकाशित 3 जनवरी के अध्ययन में कहा गया है कि न्यूफ़ाउंड इलेक्ट्रिकल प्रॉपर्टी को कभी भी मानव के अलावा किसी अन्य पशु ऊतक में नहीं देखा गया है, यह सवाल उठाता है कि क्या सिग्नल मानव बुद्धि में योगदान देता है, या प्राइमेट्स के लिए, हमारे विकासवादी चचेरे भाई।
एक अजीब संकेत
अब तक, अधिकांश डेंड्राइट अध्ययन कृंतक ऊतक में किए गए हैं, जो मानव मस्तिष्क कोशिकाओं के साथ बुनियादी गुण साझा करते हैं, ने कहा कि सह-लेखक मैथ्यू लरकम, बर्लिन में हम्बोल्ट विश्वविद्यालय में जीव विज्ञान विभाग में एक प्रोफेसर हैं। हालांकि, मानव न्यूरॉन्स लगभग दो बार मापते हैं जब तक कि एक माउस में पाए गए, उन्होंने कहा।
"इसका मतलब है कि विद्युत संकेतों को दो बार दूर तक जाना है," लारकुम ने लाइव साइंस को बताया। "यदि विद्युत गुणों में कोई बदलाव नहीं हुआ, तो इसका मतलब यह होगा कि, मनुष्यों में, समान synaptic आदानों काफी कम शक्तिशाली होगा।" दूसरे शब्दों में, एक डेंड्राइट द्वारा प्राप्त विद्युत स्पाइक उस समय तक काफी कमजोर हो जाते हैं जब तक कि वे न्यूरॉन के कोशिका शरीर में नहीं पहुंच जाते।
इसलिए लारकुम और उनके सहयोगियों ने मानव न्यूरॉन्स के विद्युत गुणों को उजागर करने के लिए यह देखने के लिए निर्धारित किया कि ये डेंड्राइट वास्तव में संकेतों को प्रभावी ढंग से भेजने का प्रबंधन कैसे करते हैं।
यह कोई आसान काम नहीं था।
सबसे पहले, शोधकर्ताओं को मानव मस्तिष्क के ऊतक के नमूनों पर अपने हाथों को प्राप्त करना था, एक कुख्यात दुर्लभ संसाधन। टीम ने न्यूरॉन्स का उपयोग करके समाप्त कर दिया जो मिर्गी और ट्यूमर के रोगियों के दिमाग से उनके चिकित्सा उपचार के भाग के रूप में कटा हुआ था। टीम ने मस्तिष्क पर केंद्रित न्यूरॉन पर ध्यान केंद्रित किया, जो मस्तिष्क के झुर्रीदार बाहरी हिस्से में था, जिसमें कई अलग-अलग परतें थीं। विज्ञान के एक बयान के अनुसार, मनुष्यों में, ये परतें डेन्ड्राइट के घने नेटवर्क रखती हैं और अत्यधिक मोटी हो जाती हैं, एक विशेषता जो "हमें मानव बनाने के लिए मौलिक हो सकती है"।
लारकुम ने कहा, "आपको बहुत बार टिशू मिल जाता है, इसलिए आपको काम करना है।" और आपको तेजी से काम करना होगा, उन्होंने कहा। मानव शरीर के बाहर, ऑक्सीजन-युक्त मस्तिष्क कोशिकाएं केवल दो दिनों के लिए व्यवहार्य रहती हैं। इस सीमित समय की खिड़की का पूरा फायदा उठाने के लिए, लारकुम और उनकी टीम किसी दिए गए नमूने से माप लेती है जब तक कि वे कर सकते हैं, कभी-कभी 24 घंटे सीधे काम करते हैं।
इन प्रायोगिक मैराथन के दौरान, दल ने मस्तिष्क के ऊतकों को स्लाइस में काट दिया और भीतर मौजूद डेंड्राइट्स में छेद किए। इन छेदों के माध्यम से पतले कांच के पिपेटों को चिपकाकर, शोधकर्ता आयनों, या चार्ज किए गए कणों को डेंड्राइट में इंजेक्ट कर सकते हैं और देख सकते हैं कि वे विद्युत गतिविधि में कैसे बदल गए। जैसा कि अपेक्षित था, उत्तेजित डेन्ड्राइट्स ने विद्युत गतिविधि के स्पाइक्स उत्पन्न किए, लेकिन ये संकेत पहले देखे गए किसी भी से बहुत अलग दिखते थे।
प्रत्येक स्पाइक केवल कुछ समय के लिए प्रज्वलित होता है - एक मिलीसेकंड के बारे में। कृंतक ऊतक में, इस प्रकार का सुपरशॉर्ट स्पाइक तब होता है जब सोडियम की बाढ़ एक डेंड्राइट में प्रवेश करती है, जो विद्युत गतिविधि के एक विशेष संचय से शुरू होती है। कृंतक डेंड्राइट्स में कैल्शियम स्पाइक्स को भी ट्रिगर कर सकता है, लेकिन ये संकेत सोडियम स्पाइक्स की तुलना में 50 से 100 गुना अधिक लंबे होते हैं। टीम ने मानव ऊतक में जो देखा, वह दोनों का एक अजीब संकर था।
"हालांकि यह एक सोडियम इवेंट की तरह लग रहा था, लेकिन यह वास्तव में एक कैल्शियम इवेंट था," लरकम ने कहा। टीम के सदस्यों ने परीक्षण किया कि क्या होगा यदि वे सोडियम को अपने नमूना डेंड्राइट में प्रवेश करने से रोकते हैं और पाया कि स्पाइक्स बिना आग के जारी रहे। क्या अधिक है, सुपरशॉर्ट स्पाइक्स तेजी से उत्तराधिकार में निकाल दिया, एक के बाद एक सही। लेकिन जब शोधकर्ताओं ने कैल्शियम को न्यूरॉन्स में प्रवेश करने से रोक दिया, तो स्पाइक्स कम बंद हो गए। वैज्ञानिकों ने निष्कर्ष निकाला कि वे स्पाइक के एक नए वर्ग में ठोकर खा चुके हैं, जो सोडियम की अवधि के समान है लेकिन कैल्शियम द्वारा नियंत्रित है।
अध्ययन में शामिल नहीं होने वाले कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय के न्यूरोलॉजी, न्यूरोबायोलॉजी फिजिक्स और खगोल विज्ञान विभाग में प्रोफेसर मयंक मेहता ने कहा, "हम अन्य स्तनधारियों से अब तक जो कुछ भी जानते हैं, उससे अलग हैं।" बड़ा सवाल यह है कि ये स्पाइक्स वास्तविक मस्तिष्क समारोह से कैसे संबंधित हैं, उन्होंने कहा।
कम्प्यूटेशनल पावरहाउस
लारकुम और उनके सहयोगियों ने परीक्षण नहीं किया कि उनके कटा हुआ नमूने कैसे एक सहज मानव मस्तिष्क में व्यवहार कर सकते हैं, इसलिए उन्होंने अपने परिणामों के आधार पर एक कंप्यूटर मॉडल तैयार किया। मस्तिष्क में, डेन्ड्राइट पास के न्यूरॉन्स से अपनी लंबाई के साथ संकेत प्राप्त करते हैं जो या तो उन्हें स्पाइक उत्पन्न करने के लिए धक्का दे सकते हैं या ऐसा करने से रोक सकते हैं। इसी तरह, टीम ने डिजिटल डेन्ड्राइट्स को डिज़ाइन किया जो उनकी लंबाई के साथ हजारों विभिन्न बिंदुओं से उत्तेजित या बाधित हो सकते हैं। ऐतिहासिक रूप से, अध्ययनों से पता चलता है कि डेंड्राइट समय के साथ इन विरोधी संकेतों को पूरा करते हैं और एक स्पाइक को आग लगाते हैं जब उत्तेजक संकेतों की संख्या निरोधात्मक लोगों को मात देती है।
लेकिन डिजिटल डेन्ड्राइट्स ने इस तरह का व्यवहार नहीं किया।
"जब हमने बारीकी से देखा, तो हम देख सकते थे कि यह अजीब घटना थी," लारकुम ने कहा। जितने अधिक उत्तेजक संकेत एक डेंड्राइट प्राप्त करते हैं, उतनी ही कम संभावना स्पाइक उत्पन्न करने के लिए होती है। इसके बजाय, दिए गए डेंड्राइट में प्रत्येक क्षेत्र उत्तेजना के एक विशिष्ट स्तर पर प्रतिक्रिया देने के लिए "ट्यूनड" लग रहा था - कोई और अधिक, कोई कम नहीं।
लेकिन वास्तविक मस्तिष्क समारोह के संदर्भ में इसका क्या मतलब है? इसका मतलब है कि डेन्ड्राइट प्रत्येक और हर बिंदु पर अपनी लंबाई के साथ सूचना प्रसंस्करण कर सकते हैं, एक एकीकृत नेटवर्क के रूप में काम कर सकते हैं, जो यह तय करने के लिए कि कौन सी जानकारी भेजनी है, किसको छोड़ना है और किसको अकेले संभालना है, लारकुम ने कहा।
मेहता ने लाइव साइंस को बताया, "ऐसा नहीं लगता कि सेल सिर्फ चीजों को जोड़ रहा है - यह चीजों को दूर भी फेंक रहा है।" (इस मामले में, "थ्रो दूर" सिग्नल उत्तेजक संकेत होंगे जो डेन्ड्रिटिक क्षेत्र के "स्वीट स्पॉट" के लिए ठीक से ट्यून नहीं किए गए हैं।) यह कम्प्यूटेशनल महाशक्ति एक बार पूरे न्यूरल नेटवर्क का काम करने के लिए डेंड्राइट्स को कार्य करने में सक्षम बना सकती है। ; उदाहरण के लिए, मेहता ने कहा कि व्यक्तिगत डेन्ड्राइट भी यादों को सांकेतिक शब्दों में बदल सकते हैं।
एक बार, न्यूरोसाइंटिस्ट्स ने सोचा कि न्यूरॉन्स के पूरे नेटवर्क ने इन जटिल गणनाओं को करने के लिए एक साथ काम किया और यह तय किया कि एक समूह के रूप में कैसे प्रतिक्रिया दी जाए। अब, ऐसा लगता है कि एक व्यक्तिगत डेन्ड्राइट इस सटीक प्रकार की गणना अपने दम पर करता है।
यह हो सकता है कि केवल मानव मस्तिष्क के पास इस प्रभावशाली कम्प्यूटेशनल शक्ति हो, लेकिन लारकुम ने कहा कि यह निश्चित रूप से कहना जल्दबाजी होगी। वह और उनके सहयोगी कृन्तकों में इस रहस्यमय कैल्शियम स्पाइक की खोज करना चाहते हैं, अगर पिछले शोध में इसे अनदेखा किया गया है। वह यह भी देखने के लिए प्राइमेट्स में इसी तरह के अध्ययन पर सहयोग करने की उम्मीद करता है कि क्या मानव डेंड्राइट्स के विद्युत गुण हमारे विकासवादी रिश्तेदारों के समान हैं।
यह बहुत कम संभावना नहीं है कि ये स्पाइक्स अन्य स्तनधारियों की तुलना में मनुष्यों को विशेष या अधिक बुद्धिमान बनाते हैं, मेहता ने कहा। ऐसा हो सकता है कि मानव मस्तिष्क प्रांतस्था में न्यूफ़ाउंड इलेक्ट्रिकल संपत्ति L2 / 3 न्यूरॉन्स के लिए अद्वितीय है, क्योंकि कृंतक मस्तिष्क भी मस्तिष्क के विशेष क्षेत्रों में विशिष्ट स्पाइक्स पैदा करता है, उन्होंने कहा।
पिछले शोध में, मेहता ने पाया कि कृंतक डेन्ड्राइट्स विभिन्न प्रकार के स्पाइक्स उत्पन्न करते हैं, जिनका सटीक कार्य अज्ञात रहता है। क्या दिलचस्प है कि इन स्पाइक्स का केवल एक अंश वास्तव में सेल शरीर में एक प्रतिक्रिया को ट्रिगर करता है जिसे वे प्लग करते हैं, उन्होंने कहा। कृंतक न्यूरॉन्स में, लगभग 90 प्रतिशत डेंड्राइट स्पाइक्स सेल बॉडी से विद्युत संकेतों को संकेत नहीं देते हैं, यह सुझाव देते हुए कि कृंतक और मानव दोनों में डेंड्राइट स्वतंत्र रूप से सूचना प्रसंस्करण कर सकते हैं, उन तरीकों से जिन्हें हम अभी तक नहीं समझते हैं।
सीखने और स्मृति के बारे में हमारी समझ न्यूरॉन सेल बॉडी और उसके आउटपुट केबल, एक्सॉन में उत्पन्न होने वाली इलेक्ट्रिकल एक्टिविटी पर बनी है। लेकिन इन निष्कर्षों से पता चलता है कि "यह हो सकता है कि मस्तिष्क में अधिकांश स्पाइक्स डेंड्राइट में हो सकते हैं," मेहता ने कहा। "वे स्पाइक्स सीखने के नियमों को बदल सकते हैं।"
संपादक का ध्यान दें: यह कहानी 9 मई को डॉ। मयंक मेहता के एक बयान को स्पष्ट करने के लिए अपडेट की गई थी कि क्या न्यूफ़ाउंड इलेक्ट्रिकल सिग्नल मनुष्यों के लिए अद्वितीय हो सकता है।
