न्यूरॉन्स में जीन एक्सप्रेशन एक मस्तिष्क विकास पहेली को हल करता है

नियोकॉर्टेक्स जैविक विकास की आश्चर्यजनक उपलब्धि के रूप में सामने आता है। सभी स्तनधारियों में उनके मस्तिष्क को ढंकने वाले ऊतक का यह टुकड़ा होता है, और इसके भीतर घनी पैक्ड न्यूरॉन्स की छः परतें परिष्कृत संगणनाओं और संघों को संभालती हैं जो संज्ञानात्मक कौशल उत्पन्न करती हैं। चूंकि स्तनधारियों के अलावा किसी भी जानवर में नियोकोर्टेक्स नहीं होता है, इसलिए वैज्ञानिकों ने सोचा है कि इस तरह के एक जटिल मस्तिष्क क्षेत्र का विकास कैसे हुआ।

सरीसृपों का मस्तिष्क एक सुराग प्रदान करता प्रतीत होता था। सरीसृप न केवल स्तनधारियों के निकटतम जीवित रिश्तेदार हैं, बल्कि उनके दिमाग में एक तीन-स्तरित संरचना होती है जिसे पृष्ठीय वेंट्रिकुलर रिज या डीवीआर कहा जाता है, जिसमें नियोकॉर्टेक्स के कार्यात्मक समानताएं होती हैं। 50 से अधिक वर्षों के लिए, कुछ विकासवादी न्यूरोसाइंटिस्टों ने तर्क दिया है कि नियोकॉर्टेक्स और डीवीआर दोनों स्तनधारियों और सरीसृपों द्वारा साझा किए गए पूर्वज में एक अधिक आदिम विशेषता से प्राप्त हुए थे।

अब, हालांकि, मानव आंखों के लिए अदृश्य आणविक विवरणों का विश्लेषण करके, वैज्ञानिकों ने उस विचार को खारिज कर दिया है। व्यक्तिगत मस्तिष्क कोशिकाओं में जीन अभिव्यक्ति के पैटर्न को देखकर, कोलंबिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने दिखाया कि शारीरिक समानता के बावजूद, स्तनधारियों में नियोकॉर्टेक्स और सरीसृपों में डीवीआर असंबंधित हैं। इसके बजाय, ऐसा लगता है कि स्तनधारियों ने नियोकॉर्टेक्स को एक पूरी तरह से नए मस्तिष्क क्षेत्र के रूप में विकसित किया है, जो कि इससे पहले आए किसी निशान के बिना बनाया गया था। नियोकॉर्टेक्स नए प्रकार के न्यूरॉन्स से बना है जो लगता है कि पैतृक जानवरों में कोई मिसाल नहीं है।

कागज़ इस काम का वर्णन, जिसका नेतृत्व विकासवादी और विकासवादी जीवविज्ञानी ने किया था मारिया एंटोनियेटा टोशेस, पिछले सितंबर में प्रकाशित हुआ था विज्ञान.

मस्तिष्क में विकासवादी नवाचार की यह प्रक्रिया नए भागों के निर्माण तक ही सीमित नहीं है। Tosches और उनके सहयोगियों द्वारा इसी अंक में अन्य कार्य विज्ञान दिखाया कि प्रतीत होता है कि प्राचीन मस्तिष्क क्षेत्र भी नए प्रकार की कोशिकाओं के साथ फिर से जुड़कर विकसित हो रहे हैं। यह खोज कि जीन अभिव्यक्ति न्यूरॉन्स के बीच इस प्रकार के महत्वपूर्ण अंतरों को प्रकट कर सकती है, शोधकर्ताओं को इस बात पर पुनर्विचार करने के लिए प्रेरित कर रही है कि वे मस्तिष्क के कुछ क्षेत्रों को कैसे परिभाषित करते हैं और यह आश्वस्त करने के लिए कि क्या कुछ जानवरों के दिमाग की तुलना में अधिक जटिल दिमाग हो सकते हैं।

एकल न्यूरॉन्स में सक्रिय जीन

1960 के दशक में, प्रभावशाली न्यूरोसाइंटिस्ट पॉल मैकलीन ने मस्तिष्क के विकास के बारे में एक विचार प्रस्तावित किया था जो गलत था लेकिन फिर भी इसका क्षेत्र पर स्थायी प्रभाव पड़ा। उन्होंने सुझाव दिया कि बेसल गैन्ग्लिया, मस्तिष्क के आधार के पास संरचनाओं का एक समूह, एक "छिपकली मस्तिष्क" से होल्डओवर था जो सरीसृपों में विकसित हुआ था और जीवित रहने की प्रवृत्ति और व्यवहार के लिए जिम्मेदार था। जब शुरुआती स्तनधारी विकसित हुए, तो उन्होंने बेसल गैन्ग्लिया के ऊपर भावनाओं के नियमन के लिए एक लिम्बिक सिस्टम जोड़ा। और जब मानव और अन्य उन्नत स्तनपायी उत्पन्न हुए, तो मैकलीन के अनुसार, उन्होंने एक नियोकॉर्टेक्स जोड़ा। एक "सोच टोपी" की तरह, यह ढेर के शीर्ष पर बैठ गया और उच्च अनुभूति प्रदान की।

1977 में अपनी पुलित्ज़र पुरस्कार विजेता पुस्तक में कार्ल सागन द्वारा इसके बारे में लिखे जाने के बाद इस "त्रिकोणीय मस्तिष्क" मॉडल ने सार्वजनिक कल्पना को मोहित कर लिया। ईडन के ड्रेगन. विकासवादी न्यूरोसाइंटिस्ट कम प्रभावित थे। अध्ययन ने जल्द ही मॉडल को निर्णायक रूप से दिखाते हुए खारिज कर दिया कि मस्तिष्क क्षेत्र एक के ऊपर एक बड़े करीने से विकसित नहीं होते हैं। इसके बजाय, मस्तिष्क एक पूरे के रूप में विकसित होता है, पुराने भागों में नए भागों को जोड़ने के अनुकूल होने के लिए संशोधनों के दौर से गुजर रहा है, समझाया गया पॉल सिसेकमॉन्ट्रियल विश्वविद्यालय में एक संज्ञानात्मक न्यूरोसाइंटिस्ट। "यह आपके iPhone को अपग्रेड करने जैसा नहीं है, जहां आप एक नया ऐप लोड करते हैं," उन्होंने कहा।

नए मस्तिष्क क्षेत्रों की उत्पत्ति के लिए सबसे अच्छी तरह से समर्थित स्पष्टीकरण यह था कि वे ज्यादातर पहले से मौजूद संरचनाओं और तंत्रिका सर्किटों को दोहराकर और संशोधित करके विकसित हुए थे। कई विकासवादी जीवविज्ञानी, जैसे हार्वे कार्टन कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के, स्तनधारी नियोकॉर्टेक्स और सरीसृप डीवीआर के बीच समानता ने सुझाव दिया कि वे विकासवादी शब्दों में, समरूप हैं - कि वे दोनों एक संरचना से विकसित हुए हैं जो स्तनधारियों और सरीसृपों द्वारा साझा पूर्वज से पारित हुए हैं।

लेकिन अन्य शोधकर्ता, सहित लुइस प्यूलेस स्पेन में मर्सिया विश्वविद्यालय के, असहमत। स्तनधारियों और सरीसृपों के विकास में, उन्होंने संकेत देखे कि नियोकॉर्टेक्स और डीवीआर ने पूरी तरह से अलग प्रक्रियाओं के माध्यम से आकार लिया। इसने संकेत दिया कि नियोकॉर्टेक्स और डीवीआर स्वतंत्र रूप से विकसित हुए। यदि ऐसा है, तो उनकी समानताओं का होमोलॉजी से कोई लेना-देना नहीं था: वे शायद संरचनाओं पर कार्यों और बाधाओं द्वारा निर्धारित संयोग थे।

नियोकॉर्टेक्स और डीवीआर की उत्पत्ति पर बहस दशकों से चली आ रही है। अब, हालांकि, हाल ही में विकसित एक तकनीक गतिरोध को तोड़ने में मदद कर रही है। एकल-कोशिका आरएनए अनुक्रमण वैज्ञानिकों को यह पढ़ने में सक्षम बनाता है कि कौन से जीन एकल कोशिका में प्रतिलेखित किए जा रहे हैं। इन जीन अभिव्यक्ति प्रोफाइल से, विकासवादी न्यूरोसाइंटिस्ट व्यक्तिगत न्यूरॉन्स के बीच विस्तृत अंतरों की संपत्ति की पहचान कर सकते हैं। वे उन अंतरों का उपयोग यह निर्धारित करने के लिए कर सकते हैं कि विकासात्मक रूप से न्यूरॉन्स कितने समान हैं।

"जीन अभिव्यक्ति को देखने का लाभ यह है कि आप कुछ ऐसा कर रहे हैं जो सेब की तुलना सेब से कर रहा है," कहा ट्राईग्वे बकेन, एलन इंस्टीट्यूट फॉर ब्रेन साइंस में एक आणविक न्यूरोसाइंटिस्ट। "जब आप एक छिपकली में जीन ए की तुलना एक स्तनपायी में जीन ए से करते हैं, तो हम जानते हैं ... कि वे वास्तव में एक ही चीज हैं क्योंकि उनके पास एक साझा विकासवादी उत्पत्ति है।"

तकनीक विकासवादी तंत्रिका विज्ञान के लिए एक नए युग की शुरुआत कर रही है। "यह दिखाया गया है [हमें] नई सेल आबादी है कि हम अभी अस्तित्व में नहीं जानते थे," कहा कर्टनी बैबिट, मैसाचुसेट्स विश्वविद्यालय, एमहर्स्ट में विकासवादी जीनोमिक्स के विशेषज्ञ। "ऐसा कुछ शोध करना मुश्किल है जिसे आप नहीं जानते हैं।"

2015 में, एकल-कोशिका आरएनए अनुक्रमण में सफलताओं ने उन कोशिकाओं की संख्या में वृद्धि की, जिनका उपयोग परिमाण के क्रम में एक नमूने के लिए किया जा सकता है। टोशेस, जो तब प्रयोगशाला में अपना पोस्टडॉक शुरू कर रहा था गाइल्स लॉरेंट जर्मनी में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर ब्रेन रिसर्च के प्रोफेसर, नियोकॉर्टेक्स की उत्पत्ति का अध्ययन करने के लिए तकनीक का उपयोग करने के लिए उत्साहित थे। "हमने कहा, 'ठीक है, चलो कोशिश करते हैं," उसने याद किया।

तीन साल बाद, Tosches और उनके सहयोगियों ने प्रकाशित किया उनके पहले परिणाम चूहों और मनुष्यों में कछुओं और छिपकलियों में न्यूरॉन सेल प्रकारों की तुलना करना। जीन अभिव्यक्ति में अंतर ने सुझाव दिया कि सरीसृप डीवीआर और स्तनधारी नियोकॉर्टेक्स मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों से स्वतंत्र रूप से विकसित हुए।

"2018 का पेपर वास्तव में एक ऐतिहासिक पेपर था जिसमें यह स्तनधारियों और सरीसृपों के बीच तंत्रिका प्रकारों का पहला वास्तव में व्यापक आणविक लक्षण वर्णन था," कहा ब्राडली कॉलक्विट, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता क्रूज़ में एक आणविक न्यूरोसाइंटिस्ट।

लेकिन सही मायने में पुष्टि करने के लिए कि दो मस्तिष्क क्षेत्र एक ही पैतृक स्रोत से विकसित नहीं हुए, टॉस्च और उनकी टीम ने महसूस किया कि उन्हें इस बारे में अधिक जानने की जरूरत है कि स्तनधारियों और सरीसृपों में तंत्रिका कोशिका प्रकार एक प्राचीन सामान्य पूर्वज में न्यूरॉन्स की तुलना कैसे कर सकते हैं।

उन्होंने एक सैलामैंडर के मस्तिष्क में सुराग खोजने का फैसला किया जिसे शार्प-रिब्ड न्यूट कहा जाता है। (यह अपनी त्वचा के माध्यम से अपनी पसलियों को बाहर धकेलने की क्षमता से अपना नाम लेता है ताकि शिकारियों को ज़हर और सूली पर चढ़ाया जा सके।) सैलामैंडर उभयचर हैं, जो पहले चार-पैर वाले जानवरों के लगभग 30 मिलियन वर्ष बाद स्तनधारियों और सरीसृपों के साथ साझा किए गए वंश से अलग हो गए। स्तनधारियों और सरीसृपों के एक दूसरे से अलग होने से लाखों साल पहले जमीन पर भटक गए थे। सभी कशेरुकियों की तरह, सैलामैंडर में एक संरचना होती है जिसे पैलियम कहा जाता है जो मस्तिष्क के सामने के पास स्थित होता है। यदि सैलामैंडर के पैलियम में न्यूरॉन्स थे जो स्तनधारी नियोकॉर्टेक्स या सरीसृप डीवीआर में न्यूरॉन्स के समान थे, तो वे न्यूरॉन्स एक प्राचीन पूर्वज में मौजूद रहे होंगे जो जानवरों के तीनों समूहों ने साझा किए थे।

Neocortex के साथ शुरू

अपने 2022 के पेपर में, टोशेस की प्रयोगशाला ने हजारों समन्दर मस्तिष्क कोशिकाओं पर एकल-कोशिका आरएनए अनुक्रमण का प्रदर्शन किया और परिणामों की तुलना सरीसृपों और स्तनधारियों से पहले एकत्र किए गए आंकड़ों से की। छोटे सैलामैंडर दिमाग, प्रत्येक माउस मस्तिष्क की मात्रा का लगभग एक-पचासवाँ हिस्सा, शोधकर्ताओं द्वारा श्रमसाध्य रूप से तैयार और लेबल किया गया था। इसके बाद दिमाग को जूते के डिब्बे के आकार की एक मशीन में डाल दिया गया जिसने लगभग 20 मिनट में अनुक्रमण के लिए सभी नमूने तैयार किए। (टोशेस ने कहा कि हाल के तकनीकी सुधारों से पहले, इसमें एक साल लग गया होगा।)

शोधकर्ताओं द्वारा अनुक्रमण डेटा का विश्लेषण करने के बाद, बहस का उत्तर स्पष्ट हो गया। समन्दर में कुछ न्यूरॉन्स सरीसृप डीवीआर में न्यूरॉन्स से मेल खाते हैं, लेकिन कुछ नहीं। इसने सुझाव दिया कि डीवीआर के कम से कम हिस्से उभयचरों के साथ साझा किए गए पूर्वज के पैलियम से विकसित हुए हैं। डीवीआर में बेजोड़ कोशिकाएँ नवप्रवर्तन प्रतीत हुईं जो उभयचर और सरीसृप वंशावली के विचलन के बाद दिखाई दीं। सरीसृप डीवीआर इसलिए विरासत में मिली और उपन्यास प्रकार के न्यूरॉन्स का मिश्रण था।

हालाँकि, स्तनधारी एक अलग कहानी थे। समन्दर न्यूरॉन्स स्तनधारी नियोकॉर्टेक्स में कुछ भी मेल नहीं खाते थे, हालांकि वे नियोकॉर्टेक्स के बाहर स्तनधारी मस्तिष्क के कुछ हिस्सों में कोशिकाओं के समान थे।

इसके अलावा, नियोकॉर्टेक्स में कई प्रकार की कोशिकाएं - विशेष रूप से, पिरामिड न्यूरॉन्स के प्रकार जो संरचना में अधिकांश न्यूरॉन्स बनाते हैं - सरीसृपों में कोशिकाओं के साथ मेल नहीं खाते। टॉस्चेस और उनके सहयोगियों ने इसलिए सुझाव दिया कि ये न्यूरॉन्स पूरी तरह से स्तनधारियों में विकसित हुए हैं। वे कोशिकाओं की उत्पत्ति का प्रस्ताव करने वाले पहले शोधकर्ता नहीं हैं, लेकिन वे एकल-कोशिका आरएनए अनुक्रमण के शक्तिशाली संकल्प का उपयोग करके इसके लिए साक्ष्य प्रस्तुत करने वाले पहले व्यक्ति हैं।

टोचेस और उनकी टीम का प्रस्ताव है कि अनिवार्य रूप से सभी स्तनधारी नियोकॉर्टेक्स एक विकासवादी नवाचार हैं। इसलिए जबकि सरीसृप डीवीआर का कम से कम हिस्सा एक पैतृक प्राणी के मस्तिष्क क्षेत्र से अनुकूलित किया गया था, स्तनधारी नियोकॉर्टेक्स एक नए मस्तिष्क क्षेत्र के रूप में विकसित हुआ, जो नए प्रकार के सेल प्रकारों के साथ बढ़ रहा था। दशकों की बहस के लिए उनका जवाब यह है कि स्तनधारी नियोकॉर्टेक्स और सरीसृप डीवीआर सजातीय नहीं हैं क्योंकि उनके पास एक सामान्य उत्पत्ति नहीं है।

जॉर्ज स्ट्राइडरकैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन में एक न्यूरोसाइंस शोधकर्ता, जो तुलनात्मक न्यूरोबायोलॉजी और पशु व्यवहार का अध्ययन करता है, ने इन निष्कर्षों को रोमांचक और आश्चर्यजनक बताया। "मुझे ऐसा लगा कि यह किसी ऐसी चीज़ के लिए वास्तव में अच्छा सबूत प्रदान कर रहा है जिसके बारे में मैंने केवल अनुमान लगाया था," उन्होंने कहा।

टोशेस की टीम के नए उत्तर का मतलब यह नहीं है कि स्तनधारियों में नियोकोर्टेक्स पुराने मस्तिष्क क्षेत्रों के ऊपर बड़े करीने से बैठने के लिए विकसित हुआ, जैसा कि त्रिगुण मस्तिष्क सिद्धांत प्रस्तावित है। इसके बजाय, जैसे-जैसे नियोकॉर्टेक्स का विस्तार हुआ और नए प्रकार के पिरामिड न्यूरॉन्स उसके भीतर पैदा हुए, मस्तिष्क के अन्य क्षेत्र इसके साथ संगीत कार्यक्रम में विकसित होते रहे। वे सिर्फ नीचे एक प्राचीन "छिपकली मस्तिष्क" के रूप में नहीं लटके थे। यह भी संभव है कि नियोकॉर्टेक्स में उभरने वाली जटिलता ने मस्तिष्क के अन्य क्षेत्रों को विकसित होने के लिए प्रेरित किया - या इसके विपरीत।

टोशेस और उनके सहयोगियों ने हाल ही में इस बात का खुलासा किया है कि प्रतीत होता है कि प्राचीन मस्तिष्क क्षेत्र अभी भी विकसित हो रहे हैं एक दूसरा पेपर के सितंबर 2022 के अंक में दिखाई दिया विज्ञान. उसने अपने पोस्टडॉक संरक्षक लॉरेंट के साथ मिलकर यह देखा कि एक चूहे के मस्तिष्क की तुलना में एक एकल-कोशिका आरएनए अनुक्रमण नए और पुराने सेल प्रकारों के बारे में क्या प्रकट कर सकता है। सबसे पहले उन्होंने प्रत्येक प्रजाति में न्यूरल सेल प्रकारों की पूर्ण सरणी की तुलना की, जो कि उन्होंने साझा की थी, जो एक सामान्य पूर्वज से पारित हो गए होंगे। फिर उन्होंने न्यूरल सेल प्रकारों की तलाश की जो प्रजातियों के बीच भिन्न थे।

उनके परिणामों से पता चला कि संरक्षित और उपन्यास दोनों प्रकार के न्यूरल सेल प्रकार पूरे मस्तिष्क में पाए जाते हैं - न कि केवल मस्तिष्क क्षेत्रों में जो हाल ही में दिखाई दिए। कहा गया है कि पूरा मस्तिष्क पुराने और नए प्रकार की कोशिकाओं का "मोज़ेक" है जस्टस केब्सचुलजॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय में एक विकासवादी न्यूरोसाइंटिस्ट।

पुनर्विचार परिभाषाएँ

हालाँकि, कुछ वैज्ञानिक कहते हैं कि बहस की घोषणा करना इतना आसान नहीं है। बारबरा फिनले, कॉर्नेल विश्वविद्यालय में एक विकासवादी न्यूरोसाइंटिस्ट, सोचते हैं कि अभी भी यह देखना आवश्यक है कि न्यूरॉन्स कैसे उत्पन्न होते हैं और वे विकास के दौरान कैसे माइग्रेट करते हैं और जुड़ते हैं, बजाय केवल यह तुलना करने के कि वे वयस्क उभयचर, सरीसृप और स्तनधारी दिमाग में कहां समाप्त होते हैं। फिनेले को लगता है कि यह "भयानक" होगा यदि उन सभी निष्कर्षों को एक साथ खींचा जा सके। "मुझे लगता है कि हम समय में करेंगे," उसने कहा।

Tosches ने नोट किया कि उभयचर दिमाग कुछ जटिलता खो सकता है जो पहले के सामान्य पूर्वज में मौजूद था। निश्चित रूप से जानने के लिए, टोशेस ने कहा कि शोधकर्ताओं को आदिम बोनी मछली प्रजातियों या अन्य उभयचरों पर एकल-कोशिका आरएनए अनुक्रमण का उपयोग करने की आवश्यकता होगी जो आज भी जीवित हैं। उस प्रयोग से पता चल सकता है कि स्तनधारियों में देखे गए किसी भी प्रकार के न्यूरॉन्स उभयचरों से पहले जानवरों में पूर्ववर्ती थे या नहीं।

टोचेस और उनके सहयोगियों के काम ने इस बारे में नई चर्चाओं को भी प्रेरित किया है कि क्या क्षेत्र को पुनर्विचार करना चाहिए कि सेरेब्रल कॉर्टेक्स क्या है और कौन से जानवरों में एक है। वर्तमान परिभाषा कहती है कि एक सेरेब्रल कॉर्टेक्स में नियोकॉर्टेक्स या डीवीआर जैसी दृश्य तंत्रिका परतें होनी चाहिए, लेकिन टॉस्च का मानना ​​​​है कि "सामान" पारंपरिक न्यूरोनाटॉमी से बचा हुआ है। जब उनकी टीम ने नए सीक्वेंसिंग टूल्स का इस्तेमाल किया, तो उन्हें समन्दर के मस्तिष्क में भी परतों के प्रमाण मिले।

"मेरे लिए यह कहने का कोई कारण नहीं है कि सैलामैंडर या उभयचरों में कोर्टेक्स नहीं होता है," टोशेस ने कहा। "इस बिंदु पर, अगर हम सरीसृप कॉर्टेक्स को कॉर्टेक्स कहते हैं, तो हमें सैलामैंडर पैलियम को कॉर्टेक्स भी कहना चाहिए।"

Babbitt सोचता है कि Tosches के पास एक बिंदु है। बैबिट ने कहा, "कैसे इन चीजों को शास्त्रीय आकारिकी के साथ परिभाषित किया गया था, शायद यह सिर्फ हमारे पास मौजूद उपकरणों के आधार पर पकड़ में नहीं आने वाला है।"

सवाल यह है कि पक्षियों के बारे में तंत्रिका विज्ञानियों को कैसे सोचना चाहिए। विशेषज्ञ इस बात से सहमत हैं कि पक्षियों का प्रभाव प्रभावशाली होता है ज्ञान सम्बन्धी कौशल जो कई स्तनधारियों से मेल खा सकता है या उनसे आगे निकल सकता है। क्योंकि पक्षी सरीसृप से उतरते हैं, उनके पास भी एक डीवीआर होता है - लेकिन किसी कारण से, न तो उनके डीवीआर और न ही उनके अन्य "कॉर्टेक्स-जैसे" मस्तिष्क क्षेत्र स्पष्ट परतों में व्यवस्थित होते हैं। ऐसा प्रतीत नहीं होता है कि दृश्य परतों की अनुपस्थिति ने इन क्षेत्रों को जटिल व्यवहारों और कौशलों का समर्थन करने से रोका है। फिर भी, पक्षियों को अभी भी कॉर्टेक्स होने के रूप में पहचाना नहीं गया है।

दिखावे पर इतना अधिक ध्यान देने से वैज्ञानिक भटक सकते हैं। जैसा कि टोशेस की टीम के नए एकल-कोशिका डेटा से पता चलता है, "जब होमोलॉजी की बात आती है तो धोखा दे सकता है," स्ट्राइडर ने कहा।