कायापलट के दौरान कीड़ों का दिमाग पिघल जाता है और फिर से तार-तार हो जाता है | क्वांटा पत्रिका

गर्म गर्मी की रातों में, हरे फीते के पंख पिछवाड़े और शिविर स्थलों पर उज्ज्वल लालटेन के चारों ओर लहराते हैं। घूंघट जैसे पंखों वाले कीड़े, फूलों का रस पीने, शिकारी चमगादड़ों से बचने और प्रजनन करने की अपनी प्राकृतिक व्यस्तता से आसानी से विचलित हो जाते हैं। उनके द्वारा दिए गए अंडों के छोटे-छोटे गुच्छे पत्तियों की निचली सतह पर लंबे डंठलों से लटकते हैं और हवा में परी रोशनी की तरह लहराते हैं।

अंडों के लटकते हुए समूह सुंदर होने के साथ-साथ व्यावहारिक भी हैं: वे अंडों से निकलने वाले लार्वा को अपने अंडों से निकले भाई-बहनों को तुरंत खाने से रोकते हैं। हंसिया जैसे जबड़े जो अपने शिकार को छेदते हैं और उन्हें चूसकर सुखा देते हैं, लेसविंग लार्वा "खतरनाक" होते हैं, ऐसा कहा गया जेम्स ट्रूमैन, वाशिंगटन विश्वविद्यालय में विकास, कोशिका और आणविक जीव विज्ञान के एक एमेरिटस प्रोफेसर। "यह एक जानवर में 'ब्यूटी एंड द बीस्ट' जैसा है।"

यह जेकेल-एंड-हाइड द्विभाजन कायापलट द्वारा संभव हुआ है, यह घटना कैटरपिलर को तितलियों में बदलने के लिए सबसे अच्छी तरह से जानी जाती है। इसके सबसे चरम संस्करण में, पूर्ण कायापलट में, किशोर और वयस्क रूप पूरी तरह से अलग प्रजातियों की तरह दिखते और कार्य करते हैं। पशु साम्राज्य में कायापलट कोई अपवाद नहीं है; यह लगभग एक नियम है. से अधिक 80% आज ज्ञात पशु प्रजातियों में से, मुख्य रूप से कीड़े, उभयचर और समुद्री अकशेरुकी, किसी न किसी रूप में कायापलट से गुजरते हैं या जटिल, बहुस्तरीय जीवन चक्र रखते हैं।

कायापलट की प्रक्रिया कई रहस्य प्रस्तुत करती है, लेकिन सबसे अधिक गहराई से उलझाने वाले कुछ रहस्य तंत्रिका तंत्र पर केंद्रित होते हैं। इस घटना के केंद्र में मस्तिष्क है, जिसे एक नहीं बल्कि कई अलग-अलग पहचानों के लिए कोड करना होगा। आख़िरकार, एक उड़ने वाले, साथी की तलाश करने वाले कीट का जीवन एक भूखे कैटरपिलर के जीवन से बहुत अलग होता है। पिछली आधी सदी से, शोधकर्ताओं ने इस सवाल की जांच की है कि कैसे न्यूरॉन्स का एक नेटवर्क जो एक पहचान - एक भूखे कैटरपिलर या एक जानलेवा लेसविंग लार्वा - को एनकोड करता है - एक वयस्क पहचान को एनकोड करने के लिए बदल जाता है जो व्यवहार और जरूरतों के एक पूरी तरह से अलग सेट को शामिल करता है। .

ट्रूमैन और उनकी टीम को अब पता चला है कि कायापलट मस्तिष्क के कुछ हिस्सों में कितना फेरबदल करता है। में एक ताजा अध्ययन पत्रिका में प्रकाशित eLife, उन्होंने फल मक्खियों के मस्तिष्क में कायापलट से गुजर रहे दर्जनों न्यूरॉन्स का पता लगाया। उन्होंने पाया कि, फ्रांज काफ्का की लघु कहानी "द मेटामोर्फोसिस" के पीड़ित नायक के विपरीत, जो एक दिन एक राक्षसी कीट के रूप में जागता है, वयस्क कीड़े संभवतः अपने लार्वा जीवन के बारे में ज्यादा याद नहीं रख सकते हैं। हालाँकि अध्ययन में कई लार्वा न्यूरॉन्स जीवित रहे, ट्रूमैन के समूह ने कीट मस्तिष्क के जिस हिस्से की जांच की, वह नाटकीय रूप से फिर से जुड़ गया। तंत्रिका कनेक्शन के उस ओवरहाल ने कीड़ों के व्यवहार में एक समान नाटकीय बदलाव को प्रतिबिंबित किया क्योंकि वे रेंगने वाले, भूखे लार्वा से उड़ने वाले, साथी की तलाश करने वाले वयस्कों में बदल गए।

उनके निष्कर्ष "आज तक का सबसे विस्तृत उदाहरण" हैं कि कायापलट से गुजर रहे कीट के मस्तिष्क का क्या होता है, उन्होंने कहा डेनिज़ एरेज़िल्माज़ऑक्सफ़ोर्ड विश्वविद्यालय के सेंटर फॉर न्यूरल सर्किट्स एंड बिहेवियर में एक पोस्टडॉक्टरल शोध वैज्ञानिक, जो ट्रूमैन की प्रयोगशाला में काम करते थे लेकिन इस काम में शामिल नहीं थे। उन्होंने कहा कि परिणाम पृथ्वी पर कई अन्य प्रजातियों पर भी लागू हो सकते हैं।

यह बताने के अलावा कि एक लार्वा मस्तिष्क एक वयस्क मस्तिष्क में कैसे परिपक्व होता है, नया अध्ययन इस बात का सुराग देता है कि कैसे विकास ने इन कीड़ों के विकास को इतना बेतहाशा मोड़ दिया। “यह एक स्मारकीय कृति है,” कहा बर्ट्राम गेरबरलीबनिज़ इंस्टीट्यूट फॉर न्यूरोबायोलॉजी में एक व्यवहारिक न्यूरोसाइंटिस्ट, जो अध्ययन में शामिल नहीं थे लेकिन सह-लेखक थे संबंधित टिप्पणी एसटी eLife. "यह वास्तव में इस क्षेत्र में 40 वर्षों के शोध का चरमोत्कर्ष है।"

"मैं इसे बड़े अक्षरों में 'द पेपर' कहता हूं," कहा डैरेन विलियम्सकिंग्स कॉलेज लंदन में विकासात्मक न्यूरोबायोलॉजी में एक शोधकर्ता, जो अध्ययन में शामिल नहीं थे लेकिन ट्रूमैन के लंबे समय से सहयोगी हैं। "यह बहुत सारे प्रश्नों के लिए मौलिक रूप से महत्वपूर्ण होने वाला है।"

वयस्कता की राह पर एक चक्कर

सबसे पहले कीड़े 480 मिलियन वर्ष पहले अंडों से निकले थे जो अपने वयस्क रूप के छोटे संस्करणों की तरह दिखते थे, अन्यथा उन्होंने अपने "प्रत्यक्ष विकास" को लगातार अपने वयस्क रूप के करीब लाने के लिए जारी रखा, जैसे कि टिड्डे, झींगुर और कुछ अन्य कीड़े आज भी करते हैं। ऐसा प्रतीत होता है कि कीटों में पूर्ण कायापलट डायनासोरों से लगभग 350 मिलियन वर्ष पहले ही उत्पन्न हुआ था।

अधिकांश शोधकर्ता अब मानते हैं कि कायापलट वयस्कों और उनकी संतानों के बीच संसाधनों के लिए प्रतिस्पर्धा को कम करने के लिए विकसित हुआ: लार्वा को एक बहुत अलग रूप में शंट करने से उन्हें वयस्कों की तुलना में बहुत अलग भोजन खाने की अनुमति मिली। ट्रूमैन ने कहा, "यह एक बेहतरीन रणनीति थी।" भृंग, मक्खियाँ, तितलियाँ, मधुमक्खियाँ, ततैया और चींटियाँ जैसे कीड़े जो पूरी तरह से कायापलट से गुजरने लगे, उनकी संख्या में विस्फोट हुआ।

जब ट्रूमैन बच्चा था, तो वह कीड़ों को इस प्रक्रिया से गुज़रते हुए देखने में घंटों बिताता था। विशेष रूप से लेसविंग्स के साथ, "मैं लार्वा की क्रूरता बनाम वयस्क की नाजुक प्रकृति से चकित था," उन्होंने कहा।

उनका बचपन का जुनून अंततः एक करियर और परिवार में बदल गया। अपने डॉक्टरेट सलाहकार से विवाह करने के बाद, लिन रिडिफ़ोर्डजो वाशिंगटन विश्वविद्यालय में प्रोफेसर एमेरिटा भी हैं, उन्होंने दुनिया भर की यात्रा की और अपने विकास पथ की तुलना करने के लिए ऐसे कीड़ों को इकट्ठा किया जो कायांतरित हो गए और अन्य जो कायांतरित नहीं हुए।

जबकि रिडीफ़ोर्ड ने अपना काम कायापलट पर हार्मोन के प्रभाव पर केंद्रित किया, ट्रूमैन की सबसे अधिक रुचि मस्तिष्क में थी। 1974 में उन्होंने प्रकाशित किया पहला पेपर कायापलट के दौरान मस्तिष्क में क्या होता है, इसके लिए उन्होंने हॉर्नवॉर्म लार्वा और वयस्कों में मोटर न्यूरॉन्स की संख्या पर नज़र रखी। तब से, कई अध्ययनों में लार्वा और वयस्कों के मस्तिष्क के विभिन्न न्यूरॉन्स और हिस्सों का विवरण दिया गया है, लेकिन वे या तो वास्तविक हैं या प्रक्रिया के बहुत छोटे पहलुओं पर केंद्रित हैं। ट्रूमैन ने कहा, "हमारे पास कोई बड़ी तस्वीर नहीं थी।"

ट्रूमैन को पता था कि वास्तव में यह समझने के लिए कि मस्तिष्क में क्या हो रहा है, उसे प्रक्रिया के माध्यम से व्यक्तिगत कोशिकाओं और सर्किट का पता लगाने में सक्षम होना होगा। फल मक्खी के तंत्रिका तंत्र ने ऐसा करने का एक व्यावहारिक अवसर प्रदान किया: यद्यपि फल मक्खी के लार्वा के शरीर की अधिकांश कोशिकाएँ वयस्क होने पर मर जाती हैं, लेकिन उसके मस्तिष्क में कई न्यूरॉन्स नहीं मरते हैं।

ट्रूमैन ने कहा, "तंत्रिका तंत्र कभी भी न्यूरॉन्स बनाने के तरीके को बदलने में सक्षम नहीं हुआ है।" ऐसा आंशिक रूप से इसलिए है क्योंकि सभी कीड़ों में तंत्रिका तंत्र न्यूरोब्लास्ट्स नामक स्टेम कोशिकाओं की एक श्रृंखला से उत्पन्न होता है जो न्यूरॉन्स में परिपक्व होते हैं। यह प्रक्रिया कायापलट से भी पुरानी है और विकास के एक निश्चित चरण के बाद आसानी से संशोधित नहीं होती है। इसलिए भले ही फल मक्खी के लार्वा शरीर में लगभग सभी अन्य कोशिकाएं समाप्त हो जाती हैं, अधिकांश मूल न्यूरॉन्स को वयस्क में नए सिरे से कार्य करने के लिए पुनर्नवीनीकरण किया जाता है।

पुनर्निर्मित मन

बहुत से लोग कल्पना करते हैं कि कायापलट के दौरान, जैसे ही लार्वा कोशिकाएं मरने या खुद को पुनर्व्यवस्थित करने लगती हैं, कोकून या बाह्य कंकाल आवरण के अंदर कीट का शरीर सूप की तरह कुछ में बदल जाता है, और शेष सभी कोशिकाएं तरल रूप से एक साथ फिसलने लगती हैं। लेकिन यह बिल्कुल सही नहीं है, ट्रूमैन ने समझाया। उन्होंने कहा, "हर चीज़ की एक स्थिति होती है... लेकिन यह वास्तव में नाजुक है, और यदि आप जानवर को खोलते हैं, तो सब कुछ फट जाता है।"

उस जिलेटिनस द्रव्यमान में मस्तिष्क में होने वाले परिवर्तनों को मैप करने के लिए, ट्रूमैन और उनके सहयोगियों ने आनुवंशिक रूप से इंजीनियर किए गए फल मक्खी के लार्वा की जांच की, जिसमें विशिष्ट न्यूरॉन्स थे जो माइक्रोस्कोप के नीचे एक फ्लोरोसेंट हरे रंग में चमकते थे। उन्होंने पाया कि कायापलट के दौरान यह प्रतिदीप्ति अक्सर फीकी पड़ जाती है, इसलिए उन्होंने एक आनुवंशिक तकनीक का उपयोग किया उनका विकास हो चुका था 2015 में कीड़ों को एक विशेष दवा देकर उन्हीं न्यूरॉन्स में लाल प्रतिदीप्ति चालू करने के लिए।

यह एक "बहुत अच्छा तरीका" है, ने कहा एंड्रियास थम, लीपज़िग विश्वविद्यालय में एक तंत्रिका विज्ञानी और गेरबर के साथ टिप्पणी के सह-लेखक। यह आपको केवल एक, दो या तीन न्यूरॉन्स को नहीं बल्कि कोशिकाओं के पूरे नेटवर्क को देखने की अनुमति देता है।

शोधकर्ताओं ने मशरूम बॉडी पर ध्यान केंद्रित किया, जो मस्तिष्क का एक क्षेत्र है जो फल मक्खी के लार्वा और वयस्कों में सीखने और स्मृति के लिए महत्वपूर्ण है। इस क्षेत्र में लंबी अक्षीय पूंछ वाले न्यूरॉन्स का एक समूह होता है जो गिटार के तारों की तरह समानांतर रेखाओं में स्थित होते हैं। ये न्यूरॉन्स इनपुट और आउटपुट न्यूरॉन्स के माध्यम से मस्तिष्क के बाकी हिस्सों के साथ संचार करते हैं जो तारों के अंदर और बाहर बुनाई करते हैं, कनेक्शन का एक नेटवर्क बनाते हैं जो कीट को गंध को अच्छे या बुरे अनुभवों के साथ जोड़ने की अनुमति देता है। ये नेटवर्क अलग-अलग कम्प्यूटेशनल डिब्बों में व्यवस्थित होते हैं, जैसे गिटार पर फ्रेट्स के बीच की जगह। प्रत्येक डिब्बे में एक कार्य होता है, जैसे मक्खी को किसी चीज़ की ओर या दूर ले जाना।

ट्रूमैन और उनकी टीम ने पाया कि जब लार्वा कायापलट से गुजरता है, तो उनके 10 तंत्रिका डिब्बों में से केवल सात वयस्क मशरूम के शरीर में शामिल होते हैं। उन सात के भीतर, कुछ न्यूरॉन्स मर जाते हैं, और कुछ नए वयस्क कार्य करने के लिए फिर से तैयार हो जाते हैं। मशरूम के शरीर में न्यूरॉन्स और उनके इनपुट और आउटपुट न्यूरॉन्स के बीच सभी कनेक्शन भंग हो जाते हैं। इस परिवर्तन चरण में, "यह परम बौद्ध स्थिति की तरह है जहां आपके पास कोई इनपुट नहीं है, आपके पास कोई आउटपुट नहीं है," गेरबर ने कहा। "हम ही हम हैं।"

तीन लार्वा डिब्बों में इनपुट और आउटपुट न्यूरॉन्स, जो वयस्क मशरूम के शरीर में शामिल नहीं होते हैं, अपनी पुरानी पहचान को पूरी तरह से त्याग देते हैं। वे मशरूम शरीर को छोड़ देते हैं और वयस्क मस्तिष्क में कहीं और नए मस्तिष्क सर्किट में एकीकृत हो जाते हैं। ट्रूमैन ने कहा, "आपको नहीं पता होगा कि वे एक ही न्यूरॉन्स थे, सिवाय इसके कि हम आनुवंशिक और शारीरिक रूप से उनका पालन करने में सक्षम हैं।"

शोधकर्ताओं का सुझाव है कि ये स्थानांतरित न्यूरॉन्स लार्वा मशरूम शरीर में केवल अस्थायी मेहमान हैं, कुछ समय के लिए आवश्यक लार्वा कार्य करते हैं लेकिन फिर वयस्क मस्तिष्क में अपने पैतृक कार्यों में लौट आते हैं। यह इस विचार के अनुरूप है कि वयस्क मस्तिष्क वंश का पुराना, पैतृक रूप है और सरल लार्वा मस्तिष्क एक व्युत्पन्न रूप है जो बहुत बाद में आया।

पुनर्निर्मित लार्वा न्यूरॉन्स के अलावा, जैसे-जैसे लार्वा बढ़ता है, कई नए न्यूरॉन्स पैदा होते हैं। इन न्यूरॉन्स का उपयोग लार्वा द्वारा नहीं किया जाता है, लेकिन कायापलट के समय वे वयस्क विशिष्ट नौ नए कम्प्यूटेशनल डिब्बों के लिए इनपुट और आउटपुट न्यूरॉन्स बनने के लिए परिपक्व होते हैं।

थम ने कहा, लार्वा में मशरूम का शरीर वयस्क संस्करण के समान दिखता है, लेकिन "रीवायरिंग वास्तव में तीव्र है।" गेरबर ने कहा, यह ऐसा है जैसे एक कम्प्यूटेशनल मशीन के इनपुट और आउटपुट सभी बाधित हो गए लेकिन फिर भी किसी तरह अपनी वायरलेस कार्यक्षमता को बनाए रखा। "यह लगभग वैसा ही है जैसे आप जानबूझकर मशीन को अनप्लग करें और फिर से प्लग करें"।

परिणामस्वरूप, वयस्क मस्तिष्क का मशरूम शरीर "मौलिक रूप से ... एक पूरी तरह से नई संरचना" है के विजयराघवन, एक एमेरिटस प्रोफेसर और भारत के नेशनल सेंटर फॉर बायोलॉजिकल साइंसेज के पूर्व निदेशक, जो पेपर के मुख्य संपादक थे और अध्ययन में शामिल नहीं थे। उन्होंने कहा, ऐसा कोई शारीरिक संकेत नहीं है कि यादें जीवित रह सकती हों।

स्मृति की कमजोरी

विलियम्स ने कहा कि शोधकर्ता इस सवाल से उत्साहित हैं कि क्या लार्वा की यादें वयस्क कीट तक पहुंच सकती हैं, लेकिन इसका उत्तर स्पष्ट नहीं है।

फल मक्खी के मशरूम शरीर में रहने वाली स्मृतियों के प्रकार सहयोगी स्मृतियाँ हैं, वह प्रकार जो दो अलग-अलग चीज़ों को एक साथ जोड़ती है - उदाहरण के लिए, उस प्रकार की स्मृति जिसके कारण पावलोव के कुत्ते घंटी की आवाज़ सुनकर लार टपकाते थे। फल मक्खी के लिए, सहयोगी स्मृतियों में आम तौर पर गंध शामिल होती है, और वे मक्खी को किसी चीज़ की ओर या उससे दूर जाने का मार्गदर्शन करती हैं।

हालाँकि, उनका निष्कर्ष कि साहचर्य यादें जीवित नहीं रह सकतीं, सभी प्रजातियों के लिए सच नहीं हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, तितली और बीटल के लार्वा फल मक्खी के लार्वा की तुलना में अधिक जटिल तंत्रिका तंत्र और अधिक न्यूरॉन्स के साथ पैदा होते हैं। क्योंकि उनके तंत्रिका तंत्र अधिक जटिल होने लगते हैं, इसलिए उन्हें उतना अधिक पुनर्गठित नहीं करना पड़ता है।

पिछले अध्ययनों में इस बात के प्रमाण मिले हैं कि कुछ प्रजातियों में अन्य प्रकार की यादें बनी रह सकती हैं। उदाहरण के लिए, गेरबर ने समझाया, अवलोकनों और प्रयोगों से पता चलता है कि कीटों की कई प्रजातियां उसी प्रकार के पौधों पर प्रजनन करने को प्राथमिकता देती हैं जहां वे परिपक्व हुए थे: सेब के पेड़ों पर पैदा हुए और पले-बढ़े लार्वा बाद में वयस्कों के रूप में सेब के पेड़ों पर अंडे देते हैं। “तो किसी को आश्चर्य होता है कि ये दो प्रकार की टिप्पणियाँ कैसे संबंधित हैं,” उन्होंने कहा। यदि स्मृतियाँ नहीं रहेंगी तो ये प्राथमिकताएँ कैसे बनी रहेंगी? उन्होंने कहा, एक संभावना यह है कि साहचर्य संबंधी यादें आगे नहीं बढ़ती हैं, लेकिन मस्तिष्क के अन्य हिस्सों में मौजूद अन्य प्रकार की यादें चलती रहती हैं।

डेटा उन जानवरों में तंत्रिका तंत्र के विकास की तुलना करने के अवसर प्रदान करता है जो कायापलट करते हैं और जो नहीं होते हैं। विकास के दौरान कीड़ों के तंत्रिका तंत्र को इतना संरक्षित किया गया है कि शोधकर्ता झींगुर और टिड्डे जैसी प्रत्यक्ष-विकासशील प्रजातियों में समकक्ष न्यूरॉन्स को इंगित कर सकते हैं। उनके बीच तुलना से सवालों के जवाब मिल सकते हैं जैसे कि व्यक्तिगत कोशिकाएँ एकल से एकाधिक पहचान में कैसे बदल गईं। विलियम्स ने कहा, "यह एक अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली तुलनात्मक उपकरण है।"

थम को लगता है कि यह देखना दिलचस्प होगा कि क्या अलग-अलग वातावरण में रहने वाली कीट प्रजातियां अपने मस्तिष्क के पुनर्व्यवस्थित होने के तरीकों में भिन्न हो सकती हैं, और क्या उनमें से किसी में यादें जीवित रह सकती हैं। गेरबर यह देखने के लिए उत्सुक हैं कि क्या कीड़ों के कायापलट में सेलुलर तंत्र अन्य जानवरों में समान हैं जो इस प्रक्रिया में विभिन्नताओं से गुजरते हैं, जैसे टैडपोल जो मेंढक बन जाते हैं या स्थिर हाइड्रा जैसे जीव जो जेलीफ़िश बन जाते हैं। उन्होंने कहा, "आप यह सोचने के लिए इतने पागल भी हो सकते हैं कि क्या हमें यौवन को एक प्रकार के कायापलट के रूप में देखना चाहिए।"

ट्रूमैन और उनकी टीम अब आणविक स्तर तक जाकर यह देखने की उम्मीद कर रही है कि कौन से जीन तंत्रिका तंत्र की परिपक्वता और विकास को प्रभावित करते हैं। 1971 में, शोधकर्ताओं ने एक सैद्धांतिक पेपर में परिकल्पना की थी कि जीनों की एक तिकड़ी कीट कायापलट की प्रक्रिया को निर्देशित करती है, एक विचार जिसे रिडीफ़ोर्ड और ट्रूमैन ने आगे पुष्टि की है 2022 कागज. लेकिन ये जीन शरीर और मस्तिष्क को फिर से तैयार करने के लिए कैसे काम करते हैं, इसके पीछे की प्रक्रिया अस्पष्ट बनी हुई है।

ट्रूमैन का अंतिम लक्ष्य लार्वा मस्तिष्क में एक न्यूरॉन को उसके वयस्क रूप में लेने के लिए मनाना है। प्रक्रिया को सफलतापूर्वक हैक करने का मतलब यह हो सकता है कि हम वास्तव में समझें कि ये कीड़े समय के माध्यम से कई पहचान कैसे बनाते हैं।

यह अज्ञात है कि मस्तिष्क में अन्यत्र पुनर्गठन का पैटर्न कैसा होगा। ट्रूमैन ने कहा, लेकिन यह संभावना है कि फल मक्खी की मानसिक क्षमताओं और दुनिया के प्रति प्रतिक्रियाओं के कुछ पहलू, चाहे सचेत हों या नहीं, इसके लार्वा जीवन से आकार लेते हैं। "चुनौती इन प्रभावों की प्रकृति और सीमा का पता लगाने की कोशिश में है।"