मानव मस्तिष्क के आंतरिक कामकाज के बारे में हमारी समझ लंबे समय से मानव न्यूरॉन्स के विकास, जुड़ने और बातचीत करने की व्यावहारिक और नैतिक कठिनाई से पीछे हट गई है। आज, में एक नए अध्ययन में प्रकाशित प्रकृति, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के न्यूरोसाइंटिस्ट के नेतृत्व में सर्गिउ पास्का रिपोर्ट करें कि उन्होंने मानव न्यूरॉन्स का अध्ययन करने का एक नया तरीका खोजा है - मानव मस्तिष्क के ऊतकों को चूहों में प्रत्यारोपित करके जो अभी कुछ दिन पुराने हैं, जब उनके दिमाग अभी तक पूरी तरह से नहीं बने हैं। शोधकर्ता बताते हैं कि मानव न्यूरॉन्स और अन्य मस्तिष्क कोशिकाएं चूहे के मस्तिष्क में खुद को विकसित और एकीकृत कर सकती हैं, कार्यात्मक तंत्रिका सर्किटरी का हिस्सा बन जाती हैं जो संवेदनाओं को संसाधित करती है और व्यवहार के पहलुओं को नियंत्रित करती है।
इस तकनीक का उपयोग करके, वैज्ञानिकों को न्यूरोडेवलपमेंटल विकारों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए नए जीवित मॉडल बनाने में सक्षम होना चाहिए, जिसमें कम से कम कुछ प्रकार के ऑटिज्म स्पेक्ट्रम विकार शामिल हैं। मॉडल न्यूरोसाइंटिफिक लैब अध्ययनों के लिए उतने ही व्यावहारिक होंगे जितने कि वर्तमान पशु मॉडल हैं, लेकिन मानव विकारों के लिए बेहतर स्टैंड-इन होंगे क्योंकि उनमें कार्यात्मक तंत्रिका सर्किट में वास्तविक मानव कोशिकाएं शामिल होंगी। वे आधुनिक तंत्रिका विज्ञान उपकरणों के लिए आदर्श लक्ष्य हो सकते हैं जो वास्तविक मानव मस्तिष्क में उपयोग करने के लिए बहुत आक्रामक हैं।
"यह दृष्टिकोण क्षेत्र के लिए एक कदम आगे है और न्यूरोनल कार्यप्रणाली के विकारों को समझने का एक नया तरीका प्रदान करता है।","कहा मैडलिन लैंकेस्टर, कैम्ब्रिज, यूके में एमआरसी लेबोरेटरी ऑफ मॉलिक्यूलर बायोलॉजी में एक न्यूरोसाइंटिस्ट, जो काम में शामिल नहीं था।
यह काम न्यूरल ऑर्गेनोइड्स के उपयोग में एक रोमांचक नए अध्याय को भी चिह्नित करता है। लगभग 15 साल पहले, जीवविज्ञानियों ने पाया कि मानव स्टेम कोशिकाएं स्वयं को व्यवस्थित कर सकती हैं और छोटे क्षेत्रों में विकसित हो सकती हैं जिनमें विभिन्न प्रकार की कोशिकाएं होती हैं और मस्तिष्क के ऊतकों के समान होती हैं। इन ऑर्गेनोइड्स ने मस्तिष्क कोशिकाओं की गतिविधियों में एक नई खिड़की खोली, लेकिन दृश्य की अपनी सीमाएँ हैं। जबकि एक डिश में न्यूरॉन्स एक दूसरे से जुड़ सकते हैं और विद्युत संचार कर सकते हैं, वे वास्तव में कार्यात्मक सर्किट नहीं बना सकते हैं या अपने प्राकृतिक आवास, मस्तिष्क में स्वस्थ न्यूरॉन्स की पूर्ण वृद्धि और कम्प्यूटेशनल कौशल प्राप्त नहीं कर सकते हैं।
अग्रणी कार्य विभिन्न शोध समूहों द्वारा वर्षों पहले साबित किया गया था कि मानव मस्तिष्क के ऑर्गेनोइड वयस्क चूहों के दिमाग में डाले जा सकते हैं और जीवित रह सकते हैं। लेकिन नए अध्ययन से पहली बार पता चलता है कि नवजात चूहे का बढ़ता हुआ मस्तिष्क मानव न्यूरॉन्स को स्वीकार करेगा और उन्हें परिपक्व होने देगा, साथ ही उन्हें चूहे के व्यवहार को चलाने में सक्षम स्थानीय सर्किट में एकीकृत करेगा।
Paşca ने बताया कि दो प्रजातियों के तंत्रिका तंत्र कैसे और कब विकसित होते हैं, इसमें भारी अंतर को देखते हुए "यह मानने के एक हजार कारण थे कि काम नहीं करेगा"। और फिर भी इसने काम किया, मानव कोशिकाओं को आवश्यक कनेक्शन बनाने के लिए आवश्यक सुराग खोजने के साथ।
"यह एक बहुत ही आवश्यक और सुरुचिपूर्ण अध्ययन है जो मानव मस्तिष्क के विकास के बाद के चरणों के मॉडल के लिए मानव मस्तिष्क की शारीरिक प्रासंगिकता को आगे बढ़ाने के लिए दृष्टिकोण की तलाश में क्षेत्र को सही दिशा में ले जाता है," ने कहा। जॉर्जिया क्वाड्राटो, दक्षिणी कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में एक न्यूरोसाइंटिस्ट।
कोशिकीय और आणविक प्रक्रियाओं को समझना जो न्यूरॉन्स में गड़बड़ा जाते हैं और मस्तिष्क विकारों को जन्म देते हैं, हमेशा से Paşca की प्रेरणा रही है। [संपादक का नोट: देखें साथ में साक्षात्कार Paşca के साथ उनके जीवन, करियर और उनके काम के लिए प्रेरणाओं के बारे में।] क्योंकि कई मानसिक और तंत्रिका संबंधी विकार विकास के दौरान मस्तिष्क में जड़ें जमा लेते हैं - भले ही लक्षण वर्षों बाद तक न उभरें - यह देखना कि न्यूरॉन्स कैसे विकसित होते हैं, हमारी समझ में रिक्तियों को भरने का सबसे अच्छा तरीका प्रतीत होता है। यही कारण है कि 13 साल पहले एक डिश में न्यूरॉन्स के साथ काम करना शुरू करने के बाद से जब से नवजात चूहों में मानव मस्तिष्क ऑर्गेनोइड्स को ट्रांसप्लांट करना Paşca का लक्ष्य रहा है।
नए काम में - जिसका नेतृत्व पास्का के स्टैनफोर्ड सहयोगियों ने भी किया था फेलिसिटी गोर, केविन केली और ओमर रेवा (अब जेरूसलम के हिब्रू विश्वविद्यालय में) - पिल्लों के मस्तिष्क सर्किटरी पूरी तरह से स्थापित होने से पहले, टीम ने बहुत छोटे चूहे पिल्लों के सोमैटोसेंसरी कॉर्टेक्स में कॉर्टिकल मानव मस्तिष्क ऑर्गेनोइड डाला। इसने मानव न्यूरॉन्स को एक प्रमुख क्षेत्र से लंबी दूरी के कनेक्शन प्राप्त करने का मौका दिया जो आने वाली संवेदी सूचनाओं को संसाधित करता है। फिर शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए इंतजार किया कि क्या चूहे के विकासशील मस्तिष्क के बाकी हिस्सों के साथ मिलकर ऑर्गेनोइड बढ़ेगा।
Paşca ने कहा, "हमने पाया कि अगर हम उस प्रारंभिक चरण में ऑर्गेनॉइड डालते हैं ... यह शुरू में चार या पांच महीने की अवधि में नौ गुना बड़ा हो जाता है।" इसका अनुवाद मानव जैसे मस्तिष्क के ऊतकों के एक क्षेत्र में किया गया है जो चूहे के मस्तिष्क के गोलार्द्धों में से एक तिहाई को कवर करता है।
लेकिन भले ही मानव न्यूरॉन्स कॉर्टिकल क्षेत्र में एक साथ रहे जहां उन्हें शल्य चिकित्सा से रखा गया था, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे चूहे के मस्तिष्क के भीतर गहरे पिरोए गए तंत्रिका सर्किटरी के सक्रिय भाग बन गए हैं। अधिकांश प्रत्यारोपित मानव न्यूरॉन्स ने चूहे की मूंछों से स्पर्श संवेदनाओं का जवाब देना शुरू कर दिया: जब हवा के कश को मूंछों पर निर्देशित किया गया, तो मानव न्यूरॉन्स अधिक विद्युत रूप से सक्रिय हो गए।
इससे भी अधिक आश्चर्य की बात यह है कि तंत्रिका संकेतों का प्रवाह दूसरी दिशा में भी चल सकता है और व्यवहार को प्रभावित कर सकता है। जब मानव न्यूरॉन्स को नीली रोशनी (ऑप्टोजेनेटिक्स नामक एक तकनीक के माध्यम से) से प्रेरित किया गया था, तो इसने चूहों में एक वातानुकूलित व्यवहार को ट्रिगर किया, जिससे उन्हें पानी की बोतल पर अधिक बार चाट कर इनाम की तलाश हुई।
"इसका मतलब है कि हमने वास्तव में मानव कोशिकाओं को सर्किटरी में एकीकृत किया है," पास्का ने कहा। "यह सर्किट नहीं बदल रहा है। ... बस इतना है कि मानव कोशिकाएं अब इसका हिस्सा हैं।"
प्रत्यारोपित कोशिकाएं अपनी नई सेटिंग में मानव मस्तिष्क के ऊतकों की पूरी तरह से नकल नहीं करती हैं। उदाहरण के लिए, उन्होंने खुद को मानव प्रांतस्था में देखी गई एक ही बहुस्तरीय संरचना में व्यवस्थित नहीं किया। (न ही उन्होंने आसपास के चूहे के न्यूरॉन्स के नेतृत्व का पालन किया और चूहे के सोमैटोसेंसरी कॉर्टेक्स की विशेषता वाले बैरल जैसे कॉलम बनाए।) लेकिन व्यक्तिगत रूप से प्रत्यारोपित न्यूरॉन्स ने कई सामान्य मानव विद्युत और संरचनात्मक गुणों को बनाए रखा।
कोशिकाओं ने मस्तिष्क के अंदर होने के एक प्रमुख लाभ का लाभ उठाया: वे चूहे के मस्तिष्क के संवहनी तंत्र से सफलतापूर्वक जुड़ गए, जिससे रक्त वाहिकाओं को ऑक्सीजन और हार्मोन देने के लिए ऊतक में प्रवेश करने की अनुमति मिलती है। Paşca ने समझाया कि रक्त की आपूर्ति की कमी एक प्रमुख कारण माना जाता है कि एक डिश में बढ़ने वाले मानव न्यूरॉन्स नियमित रूप से पूरी तरह परिपक्व होने में असफल होते हैं, साथ ही तंत्रिका सिग्नल इनपुट की कमी के साथ विकास को आकार देने की आवश्यकता होती है। जब उनकी टीम ने ट्रांसप्लांट किए गए मानव न्यूरॉन्स की तुलना एक डिश में रहने वालों से की, तो उन्होंने पाया कि प्रत्यारोपित न्यूरॉन्स छह गुना बड़े थे, एक आकार और विद्युत गतिविधि प्रोफ़ाइल के साथ प्राकृतिक मानव मस्तिष्क के ऊतकों से न्यूरॉन्स के करीब।
"इन विवो पर्यावरण के बारे में कुछ है - इसलिए, पोषक तत्व और विद्युत संकेत जो वे मस्तिष्क में प्राप्त कर रहे हैं - जो मानव कोशिकाओं को परिपक्वता के दूसरे स्तर पर लाता है," Paşca ने कहा।
चूंकि चूहे के दिमाग में मानव न्यूरॉन्स इतने परिपक्व हो गए थे, Paşca और उनके सहयोगी टिमोथी सिंड्रोम नामक आनुवंशिक विकार वाले लोगों से प्राप्त मस्तिष्क ऑर्गेनोइड के विकास में असामान्य अंतर देख सकते थे, जो अक्सर ऑटिज़्म और मिर्गी का कारण बनता है। चूहे के दिमाग में, टिमोथी सिंड्रोम के लिए जीन ले जाने वाले ट्रांसप्लांट किए गए मानव न्यूरॉन्स ने असामान्य डेंड्राइटिक शाखाओं को विकसित किया जो असामान्य कनेक्शन बनाते थे। महत्वपूर्ण रूप से, इनमें से कुछ असामान्य विकास केवल चूहे प्रांतस्था के भीतर बढ़ने वाले मानव न्यूरॉन्स में देखे जा सकते हैं, न कि किसी डिश में ऑर्गेनॉइड न्यूरॉन्स में।
Paşca इस बात पर जोर देती है कि अब तक, परिपक्व न्यूरॉन्स में इस प्रकार के सूक्ष्म परिवर्तन जो मस्तिष्क के कार्य को प्रभावित करते हैं और तंत्रिका संबंधी और मानसिक विकारों को जन्म देते हैं, वे काफी हद तक हमसे छिपे हुए हैं।
"परिणाम बहुत रोमांचक हैं," ने कहा बेनेट नोविचकैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स में एक न्यूरोसाइंटिस्ट और स्टेम सेल जीवविज्ञानी। उन्होंने कहा, तंत्रिका ऊतकों के इन विट्रो अध्ययन अभी भी कई प्रकार के न्यूरोलॉजिकल अध्ययनों और दवा परीक्षणों के लिए तेज और अधिक व्यावहारिक होंगे, लेकिन नया पेपर "यह बताता है कि मानव न्यूरॉन्स की परिपक्व विशेषताओं को कैसे प्रकट किया जाता है ... अभी भी विवो सेटिंग में सबसे अच्छा हासिल किया गया है। ।"
Paşca को उम्मीद है कि चूहों के भीतर परिपक्व मानव न्यूरॉन्स का अध्ययन करने में सक्षम होने से अंततः मनोरोग विकारों और तंत्रिका संबंधी स्थितियों के लिए उपचार करीब आ जाएगा। क्षेत्र के अन्य लोग भी आशान्वित हैं। "अगर यह ऑर्गेनॉइड प्रत्यारोपण रणनीति वास्तव में रोग हस्ताक्षरों की नकल कर सकती है, तो यह वास्तव में इलाज की दिशा में हमारे मार्ग को तेज कर सकती है," ने कहा जोएल ब्लैंचर्डमाउंट सिनाई में इकन स्कूल ऑफ मेडिसिन में एक न्यूरोसाइंटिस्ट।
नए काम की प्रकृति चूहों के कल्याण और नैतिक उपचार के बारे में सवाल उठा सकती है। इस कारण से, Paşca और उनके सहयोगियों ने शुरू से ही नैतिकतावादियों के साथ सक्रिय चर्चा की है। जैसा कि जानवरों से जुड़े सभी प्रयोगों में, एक कानूनी आवश्यकता थी कि किसी भी समय प्रयोग को रोकने के लिए प्रयोगशाला तकनीशियनों द्वारा चूहों की व्यापक निगरानी की जाए। लेकिन व्यवहारिक और संज्ञानात्मक परीक्षणों की एक सरणी में प्रत्यारोपित मानव मस्तिष्क के साथ चूहों में कोई अंतर नहीं पाया गया।
इंसू ह्यूनहार्वर्ड मेडिकल स्कूल के सेंटर फॉर बायोएथिक्स से संबद्ध एक बायोएथिसिस्ट ने कहा कि उन्हें वर्तमान प्रयोगों के बारे में कोई नैतिक चिंता नहीं है। Paşca की टीम ने इंटरनेशनल सोसाइटी फॉर स्टेम सेल रिसर्च द्वारा विकसित सभी दिशा-निर्देशों का पालन किया, जो मानव मस्तिष्क ऑर्गेनोइड के साथ अनुसंधान को नियंत्रित करते हैं और मानव कोशिकाओं को जानवरों में स्थानांतरित करते हैं। "मेरे लिए, मुद्दा वास्तव में समझ में आता है: आप वहां से कहाँ जाते हैं?" उन्होंने कहा।
ह्यून अन्य शोध टीमों के बारे में अधिक चिंतित हैं जो अब मानव मस्तिष्क ऑर्गेनोइड्स को हमारे स्वयं के समान प्रजातियों में ट्रांसप्लांट करने में रुचि ले सकती हैं, जैसे कि अमानवीय प्राइमेट। ह्यून ने कहा, "आपको निरीक्षण के स्तर पर बहुत गहन बातचीत करनी होगी कि आप कुछ और जटिल में जाने के लिए उचित क्यों हैं।"
Paşca का कहना है कि उन्हें और उनके सहयोगियों को ऐसे सीमा-धक्का प्रयोगों में कोई दिलचस्पी नहीं है। वह यह भी सोचते हैं कि प्रत्यारोपण के लिए ऑर्गेनोइड्स को उगाने और बनाए रखने की कठिनाई सबसे संभावित लापरवाह अनुसंधान को रोक देगी। "ऐसा करने के लिए आवश्यक बुनियादी ढांचे और विशेषज्ञता के साथ कुछ स्थान हैं," उन्होंने कहा।
अधिक तात्कालिक और व्यावहारिक वैज्ञानिक चुनौतियाँ मानव मस्तिष्क के उन अंगों को बेहतर बनाने में निहित हैं जो चूहों में प्रत्यारोपित हो जाते हैं। निस्संदेह, अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना है। मानव मस्तिष्क के समान ऊतक वर्तमान में न्यूरॉन्स से परे कई महत्वपूर्ण मस्तिष्क कोशिकाओं को गायब कर रहा है, जैसे माइक्रोग्लिया और एस्ट्रोसाइट्स, साथ ही साथ अन्य न्यूरॉन्स की गतिविधि को बाधित करने में शामिल न्यूरॉन्स। Paşca की टीम वर्तमान में उन प्रयोगों पर काम कर रही है जो "एसेम्बलोइड्स" को ट्रांसप्लांट करेंगे - विभिन्न मस्तिष्क क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करने वाले ऑर्गेनोइड्स के सेट जिनकी कोशिकाएं एक दूसरे के साथ माइग्रेट और इंटरैक्ट करती हैं।
चूहे के मस्तिष्क के भीतर मानव न्यूरॉन्स के निष्कर्ष प्राकृतिक मानव मस्तिष्क पर कितना लागू हो सकते हैं, इसकी सीमाएं हो सकती हैं। इन प्रत्यारोपण अध्ययनों में इस्तेमाल किए गए चूहे एक आनुवंशिक उत्परिवर्तन के कारण एक दोषपूर्ण प्रतिरक्षा प्रणाली के साथ पैदा होते हैं। यह उन्हें प्रत्यारोपण के लिए उपयुक्त बनाता है, क्योंकि उनकी प्रतिरक्षा प्रणाली प्रत्यारोपित मानव कोशिकाओं को अस्वीकार करने की संभावना कम है। लेकिन इसका मतलब यह भी है कि अल्जाइमर जैसे न्यूरोडीजेनेरेटिव रोगों का अध्ययन करना जो प्रतिरक्षा घटकों के लिए जाने जाते हैं, अधिक कठिन हो सकते हैं। और कोई फर्क नहीं पड़ता कि प्रत्यारोपित मानव मस्तिष्क ऑर्गेनोइड्स कितने यथार्थवादी हैं, जब तक वे चूहे के मस्तिष्क में होते हैं, वे मानव रक्त के बजाय पोषक तत्वों और हार्मोन की अनूठी प्रोफ़ाइल के साथ चूहे के रक्त के संपर्क में रहेंगे। न्यूरोसाइंटिस्ट इस प्रकार उन प्रणालियों का अध्ययन कर सकते हैं जो मानव खोपड़ी के भीतर की वास्तविकता से कुछ कम हैं।
लेकिन Paşca के लिए, यह नई प्रणाली पहले से कहीं अधिक जमीनी सच्चाई के करीब आने का अवसर प्रदान करती है कि कैसे परिवर्तित न्यूरोबायोलॉजिकल प्रक्रियाएं न्यूरोलॉजिकल और मानसिक विकारों का कारण बनती हैं। नवजात चूहों में ऑर्गेनॉइड का प्रत्यारोपण अंततः मानव न्यूरॉन्स और सर्किट के विकास पर अनुसंधान में आधुनिक तंत्रिका विज्ञान उपकरणों की पूरी ताकत को नियोजित करने का एक तरीका प्रदान करता है।
Paşca ने कहा, "मुश्किल समस्याएं, जैसे कि मनोवैज्ञानिक विकारों को समझना जो विशिष्ट मानवीय स्थितियां हैं, के लिए साहसिक दृष्टिकोण की आवश्यकता होगी।"
