تعارف
ورچوئل رئیلٹی کوریڈور میں سرایت شدہ ٹریڈمل پر ایک چوہا دوڑ رہا ہے۔ اس کے دماغ کی آنکھ میں، یہ اپنے آپ کو ایک سرنگ سے نیچے دوڑتے ہوئے دیکھتا ہے جس کے سامنے روشنیوں کے مخصوص نمونے ہیں۔ تربیت کے ذریعے، ماؤس نے سیکھا ہے کہ اگر وہ روشنیوں پر رکتا ہے اور 1.5 سیکنڈ تک اس پوزیشن کو برقرار رکھتا ہے، تو اسے ایک انعام ملے گا - ایک چھوٹا سا پانی۔ پھر یہ ایک اور انعام حاصل کرنے کے لیے روشنیوں کے دوسرے سیٹ کی طرف بھاگ سکتا ہے۔
یہ سیٹ اپ تحقیق کی بنیاد ہے۔ جولائی میں شائع ہوا۔ in سیل کی رپورٹیں نیورو سائنسدانوں کی طرف سے ایلی ایڈم, ٹیلر جانز اور مریگانکا سور میساچوسٹس انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی کے۔ یہ ایک آسان سوال کی کھوج کرتا ہے: دماغ - چوہوں، انسانوں اور دیگر ستنداریوں میں - ہمیں ایک پیسہ پر روکنے کے لیے اتنی تیزی سے کام کیسے کرتا ہے؟ نئے کام سے پتہ چلتا ہے کہ دماغ کسی تیز "اسٹاپ" کمانڈ کو انتہائی براہ راست یا بدیہی طریقے سے منتقل کرنے کے لیے وائرڈ نہیں ہے۔ اس کے بجائے، یہ کیلکولس کے اصولوں پر مبنی ایک زیادہ پیچیدہ سگنلنگ سسٹم استعمال کرتا ہے۔ یہ ترتیب حد سے زیادہ پیچیدہ لگ سکتی ہے، لیکن یہ ان طرز عمل کو کنٹرول کرنے کا ایک حیرت انگیز طور پر ہوشیار طریقہ ہے جو دماغ کے حکموں سے زیادہ درست ہونے کی ضرورت ہے۔
چلنے یا دوڑنے کے سادہ میکانکس پر کنٹرول کی وضاحت کرنا کافی آسان ہے: دماغ کا میسینسفالک لوکوموٹر ریجن (MLR) ریڑھ کی ہڈی میں موجود نیوران کو سگنل بھیجتا ہے، جو ٹانگ میں پٹھوں کو کنٹرول کرنے والے موٹر نیورونز کو روکنا یا حوصلہ افزائی کرنے والی تحریکیں بھیجتے ہیں: رکیں . جاؤ. رک جاؤ۔ جاؤ. ہر سگنل برقی سرگرمی کا ایک اسپائک ہوتا ہے جو نیوران کی فائرنگ کے سیٹ سے پیدا ہوتا ہے۔
کہانی مزید پیچیدہ ہو جاتی ہے، تاہم، جب اہداف متعارف کرائے جاتے ہیں، جیسے کہ جب کوئی ٹینس کھلاڑی کورٹ پر کسی عین جگہ پر بھاگنا چاہتا ہے یا ایک پیاسا چوہا فاصلے پر ایک تازگی بخشنے والا انعام دیکھتا ہے۔ ماہرین حیاتیات ایک طویل عرصے سے سمجھ چکے ہیں کہ اہداف دماغ کے دماغی پرانتستا میں شکل اختیار کرتے ہیں۔ دماغ کس طرح ایک مقصد کا ترجمہ کرتا ہے (وہاں دوڑنا بند کریں تاکہ آپ کو انعام ملے) عین وقت پر سگنل میں جو ایم ایل آر کو بریک مارنے کے لیے کہے؟
"جب حسی موٹر کنٹرول کی بات آتی ہے تو انسانوں اور ستنداریوں میں غیر معمولی صلاحیتیں ہوتی ہیں،" کہا سری دیوی سرماجانس ہاپکنز یونیورسٹی میں نیورو سائنسدان۔ "کئی دہائیوں سے لوگ اس بات کا مطالعہ کر رہے ہیں کہ یہ ہمارے دماغ کے بارے میں کیا ہے جو ہمیں اتنا چست، تیز اور مضبوط بناتا ہے۔"
روزہ دار اور تیز ترین۔
جواب کو سمجھنے کے لیے، محققین نے چوہے کے دماغ میں اعصابی سرگرمی کی نگرانی کی جب کہ جانور کو تیز رفتاری سے فل اسٹاپ تک سست ہونے میں کتنا وقت لگا۔ انہوں نے توقع کی کہ MLR میں ایک روکے ہوئے سگنل کا اضافہ دیکھنے کو ملے گا، جس سے ٹانگیں تقریباً فوری طور پر رک جائیں گی، جیسے بجلی کا سوئچ لائٹ بلب کو بند کر رہا ہے۔
لیکن اعداد و شمار میں تضاد نے اس نظریہ کو تیزی سے کمزور کردیا۔ انہوں نے MLR میں بہتے ہوئے ایک "اسٹاپ" سگنل کا مشاہدہ کیا جب کہ ماؤس سست ہو رہا تھا، لیکن اس کی شدت اتنی تیزی سے نہیں بڑھ رہی تھی کہ جانور کتنی جلدی رک گیا تھا۔
ایڈم نے کہا، "اگر آپ صرف سٹاپ سگنل لیتے ہیں اور انہیں MLR میں کھلاتے ہیں، تو جانور رک جائے گا، لیکن ریاضی ہمیں بتاتی ہے کہ سٹاپ کافی تیز نہیں ہو گا،" ایڈم نے کہا۔
"کورٹیکس ایک سوئچ فراہم نہیں کرتا،" سور نے کہا۔ "ہم نے سوچا کہ کارٹیکس یہی کرے گا، تیز سگنل کے ساتھ 0 سے 1 تک جائیں۔ یہ ایسا نہیں کرتا، یہ پہیلی ہے۔
لہذا محققین جانتے تھے کہ کام پر ایک اضافی سگنلنگ سسٹم ہونا ضروری ہے۔
اسے تلاش کرنے کے لیے، انہوں نے ماؤس کے دماغ کی اناٹومی کو دوبارہ دیکھا۔ پرانتستا کے درمیان جہاں اہداف پیدا ہوتے ہیں اور MLR جو کہ لوکوموشن کو کنٹرول کرتا ہے ایک اور خطہ بیٹھتا ہے، سبتھلامک نیوکلئس (STN)۔ یہ پہلے ہی معلوم تھا کہ STN MLR سے دو راستوں سے جڑتا ہے: ایک پرجوش سگنل بھیجتا ہے اور دوسرا روکے جانے والے سگنل بھیجتا ہے۔ محققین نے محسوس کیا کہ ایم ایل آر کسی ایک کی طاقت پر بھروسہ کرنے کے بجائے دو سگنلز کے درمیان تعامل کا جواب دیتا ہے۔
جیسے ہی سپرنٹنگ ماؤس رکنے کی تیاری کرتا ہے، ایم ایل آر کو STN سے ایک روکا ہوا سگنل ملتا ہے۔ تقریباً فوراً بعد، یہ ایک پرجوش سگنل بھی حاصل کرتا ہے۔ ہر سگنل آہستہ آہستہ آتا ہے — لیکن ان کے درمیان سوئچ تیز ہے، اور اسی پر MLR توجہ دیتا ہے: یہ دونوں سگنلز کے درمیان فرق کو رجسٹر کرتا ہے۔ جتنا زیادہ فرق ہوگا، روکنے والے سگنل میں اتنی ہی تیزی سے تبدیلی ہوگی اور MLR اتنی ہی تیزی سے ٹانگوں کو رکنے کا حکم دیتا ہے۔
"اسپائکس کی اونچائی کے بارے میں کوئی معلومات نہیں ہے،" سور نے کہا۔ "سب کچھ سپائیکس کے درمیان وقفہ میں ہے۔ چونکہ اسپائکس تیز ہیں، وقفہ معلومات لے جا سکتا ہے۔"
تیز وکر آگے
محققین نے کیلکولس کے دو بنیادی افعال کے لحاظ سے روکنے کے طریقہ کار کو کاسٹ کیا: انضمام، جو ایک منحنی خطوط کے تحت علاقے کی پیمائش کرتا ہے، اور اخذ، جو ایک منحنی خطوط پر ڈھلوان کا حساب لگاتا ہے۔
اگر رکنے کا انحصار صرف اس بات پر ہے کہ ایم ایل آر کو کتنا سٹاپ سگنل ملا ہے، تو اسے انضمام کی ایک شکل کے طور پر سوچا جا سکتا ہے۔ سگنل کی مقدار وہی ہوگی جو اہم ہے۔ لیکن ایسا نہیں ہے کیونکہ تیزی سے کنٹرول کے لیے انضمام بذات خود کافی نہیں ہے۔ اس کے بجائے، MLR دو مناسب وقت والے سگنلز کے درمیان فرق کو جمع کرتا ہے، جو کہ مشتق کا حساب لگانے کے طریقے کی عکاسی کرتا ہے: ایک نقطہ پر منحنی خطوط کی ڈھلوان کا حساب کرنے کے لیے دو لامحدود قریبی قدروں کے درمیان فرق کو لے کر۔ مشتق کی تیز رفتار حرکیات انضمام کی سست حرکیات کو منسوخ کرتی ہے اور تیز رفتار رکنے کی اجازت دیتی ہے۔
"یہاں ایک حوصلہ افزا سگنل اور ایک روکنے والا سگنل ہے اور دونوں کا فوری طور پر موازنہ کیا جا رہا ہے،" سور نے کہا۔ "جب وہ قدر ایک خاص مقدار سے ٹکرا جاتی ہے، تو وہاں ایک سوئچ پھینکا جاتا ہے جس سے جانور رک جاتا ہے۔"
یہ مشتق پر مبنی کنٹرول سسٹم بالواسطہ لگ سکتا ہے، لیکن یہ اسٹریٹجک معنی رکھتا ہے۔ جب کوئی چوہا ورچوئل رئیلٹی کو نیویگیٹ کرتا ہے یا کورٹ میں دوڑتا ہوا ٹینس کھلاڑی کسی رکنے کے مقام پر پہنچ رہا ہوتا ہے، تو انہیں یہ جاننا مفید معلوم ہو سکتا ہے کہ وہ کتنی تیزی سے جا رہے ہیں۔ لیکن یہ منصوبہ بندی کرنے کے لیے کہ انہیں آگے کیا کرنے کی ضرورت ہوگی، یہ جاننا ان کے لیے زیادہ مفید ہے کہ وہ کتنی تیزی سے تیز یا سست ہو رہے ہیں — ان کی نقل و حرکت کا مشتق فعل۔
"یہ آپ کو اندازہ لگانے اور پیشین گوئی کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ اگر میں مشتق، رفتار کی تبدیلی کی شرح کو جانتا ہوں، تو میں اندازہ لگا سکتا ہوں کہ اگلے مرحلے پر میری رفتار کیا ہوگی،" سرما نے کہا۔ "اگر میں جانتا ہوں کہ مجھے رکنا ہے، تو میں اس کے لیے منصوبہ بنا سکتا ہوں اور اسے انجام دے سکتا ہوں۔"
