नई खोज ने मस्तिष्क के विकास के प्रचलित मॉडल को पलट दिया है

सदियों से, वैज्ञानिक मस्तिष्क को एक एकल, एकीकृत अंग मानते रहे हैं। लेकिन स्टैनफोर्ड मेडिसिन के नेतृत्व में नए शोध से पता चलता है कि जिसे हम मस्तिष्क कहते हैं वह दो अलग-अलग अंग हैं जो सैकड़ों लाखों वर्षों में स्वतंत्र रूप से विकसित हुए हैं।

यह खोज मस्तिष्क के विकास के प्रचलित मॉडल को पलट देती है। दशकों से शोधकर्ता इस सिद्धांत पर सहमत हैं कि विकास के आरंभ में एक एकल पूर्वज कोशिका होती है जो पूरे मस्तिष्क को जन्म देती है। इस मॉडल ने सुझाव दिया कि मस्तिष्क के सभी हिस्सों का विकासात्मक मूल एक समान है।

नए शोध निष्कर्ष से पता चलता है कि मानव मस्तिष्क में दो प्राचीन तंत्रिका तंत्र बड़ी चतुराई से एक साथ पैक किए गए हैं – एक अधिक आदिम हिस्सा जो हमारे दिल की धड़कन, हमारी सांस लेने और अन्य कार्यों को नियंत्रित करता है, और दूसरा जो हमें स्पष्ट रूप से मानव बनाता है, कविता, गणित और अपनी उत्पत्ति के बारे में सोचने में सक्षम बनाता है।

यह खोज यह समझाने में मदद कर सकती है कि वैज्ञानिकों ने प्रयोगशाला में कुछ प्रकार की मस्तिष्क कोशिकाओं को विकसित करने के लिए दशकों तक संघर्ष क्यों किया है – और यह मस्तिष्क स्टेम को प्रभावित करने वाली विनाशकारी बीमारियों, जैसे स्पाइनल मस्कुलर एट्रोफी (जिसे एसएमए के रूप में भी जाना जाता है) और एमियोट्रोफिक लेटरल स्क्लेरोसिस (जिसे एएलएस या लू गेहरिग रोग के रूप में भी जाना जाता है) का अध्ययन करने के लिए नए रास्ते खोलता है।

हमने पहली बार दिखाया है कि मस्तिष्क का अगला भाग मस्तिष्क के पिछले हिस्से की तुलना में बिल्कुल अलग पूर्वज कोशिका से उत्पन्न होता है। हमारी खोज का मतलब है कि अब हम पेट्री डिश में मस्तिष्क के पीछे, पश्चमस्तिष्क से न्यूरॉन्स विकसित कर सकते हैं और उनके कार्यों का अध्ययन कर सकते हैं।”

काइल लोह, पीएचडी, विकासात्मक जीव विज्ञान के एसोसिएट प्रोफेसर, स्टैनफोर्ड मेडिसिन

निष्कर्षों को प्रकाशित किया जाएगा प्रकृति तंत्रिका विज्ञान सितम्बर 18. लोह वरिष्ठ लेखक हैं। स्नातक छात्र कैरोलिन डंडेस और रेयान जोखाई शोध के सह-प्रथम लेखक हैं।

दो दिमाग

वयस्क मस्तिष्क के तीन मुख्य क्षेत्र होते हैं: अग्रमस्तिष्क, मध्यमस्तिष्क और पश्चमस्तिष्क। अग्रमस्तिष्क उच्च-स्तरीय सोच – भाषा, चेतना और अमूर्त तर्क को संभालता है। इसके विपरीत, पश्चमस्तिष्क, खोपड़ी के पीछे स्थित होता है और जिसे अक्सर ब्रेन स्टेम कहा जाता है, आवश्यक, स्वचालित कार्यों को नियंत्रित करता है जो हमें जीवित रखते हैं: सांस लेना, सोना और हमारे दिल की धड़कन और भूख की इच्छा को नियंत्रित करना। हिंडब्रेन न्यूरॉन्स चेहरे, जीभ और गले की मांसपेशियों को भी नियंत्रित करते हैं, जो बोलने और निगलने को प्रभावित करते हैं।

पश्चमस्तिष्क के महत्वपूर्ण महत्व के बावजूद, वैज्ञानिकों ने प्रयोगशाला में मानव पश्चमस्तिष्क न्यूरॉन्स उत्पन्न करने के लिए दशकों तक संघर्ष किया है। इस अंतर ने स्पाइनल मस्कुलर एट्रोफी और एमियोट्रोफिक लेटरल स्क्लेरोसिस सहित मस्तिष्क स्टेम को प्रभावित करने वाली विनाशकारी बीमारियों के अनुसंधान में बाधा उत्पन्न की है।

एसएमए 1 वर्ष से कम उम्र के बच्चों में मृत्यु का एक प्रमुख आनुवंशिक कारण है। एएलएस, जिसका अक्सर 40 से 70 वर्ष की उम्र के बीच निदान किया जाता है, अग्रमस्तिष्क और पश्चमस्तिष्क दोनों को प्रभावित करता है। दोनों विकारों में, कुछ हिंडब्रेन न्यूरॉन्स धीरे-धीरे काम करना बंद कर देते हैं, और रोगी निगलने की क्षमता खो देता है, जिससे भोजन या तरल पदार्थ फेफड़ों में जाने पर निमोनिया हो सकता है; अंततः, मरीज़ साँस लेने की क्षमता खो देते हैं।

शोधकर्ताओं को सफलता भ्रूण के विकास के शुरुआती क्षणों का अध्ययन करने से मिली, गैस्ट्रुलेशन नामक चरण के दौरान जब शरीर पहली बार आकार लेता है। जोखाई और डंडेस ने पाया कि पश्चमस्तिष्क एक अलग विकासात्मक पथ का अनुसरण करता है, जो अग्रमस्तिष्क और मध्यमस्तिष्क का निर्माण करने वाले मार्ग से अलग होने के बजाय समानांतर में चलता है।

शोधकर्ताओं ने विकासशील चूहे के भ्रूण की जांच से यह सीखा। उन्होंने दो अलग-अलग मस्तिष्क पूर्वज कोशिकाओं की पहचान की। एक, जो Otx2 नामक जीन को व्यक्त करता है, उसका अग्रमस्तिष्क और मध्यमस्तिष्क बनना तय है। दूसरा, जो Gbx2 नामक जीन को व्यक्त करता है, पश्चमस्तिष्क के निर्माण के लिए प्रतिबद्ध है। उन्होंने दिखाया कि ये दो कोशिका आबादी कभी भी ओवरलैप नहीं होती हैं; वे विकास के प्रारंभिक चरण से ही परस्पर अनन्य हैं।

इसके बाद टीम ने इन कोशिकाओं में डीएनए पैकेजिंग या क्रोमैटिन की जांच की। क्रोमैटिन एक ऐसा तरीका है जिससे कोशिकाएं यह निर्धारित करती हैं कि कौन से जीन तक आसानी से पहुंचा जा सकता है और कौन से जीन पहुंच से दूर हैं। उन्होंने जो पाया वह आश्चर्यजनक था: पूर्वकाल तंत्रिका एक्टोडर्म (भविष्य का अग्रमस्तिष्क और मध्य मस्तिष्क) और पश्च तंत्रिका एक्टोडर्म (भविष्य का पश्च मस्तिष्क) में मौलिक रूप से अलग-अलग क्रोमैटिन विन्यास हैं। इन मतभेदों ने अनिवार्य रूप से प्रत्येक पूर्वज कोशिका को उसके संबंधित भाग्य में बंद कर दिया, जैसे समानांतर पटरियों पर यात्री जो कभी पार नहीं करते।

जोखाई ने कहा, “हिंडब्रेन न्यूरॉन्स बनाने के पिछले प्रयासों में संभवतः अग्रमस्तिष्क और मिडब्रेन पूर्वजों को हिंडब्रेन कोशिकाओं में शामिल करने की कोशिश की गई थी, जो हमारे अध्ययन से पता चलता है कि यह संभव नहीं है।”

इस रहस्योद्घाटन ने इस क्षेत्र में दशकों की निराशा को समझाया – वैज्ञानिक एक प्रकार की पूर्वज कोशिका को दूसरे प्रकार की पूर्वज कोशिका में बदलने की कोशिश कर रहे थे जो कि बनने में मूल रूप से असमर्थ है।

जोखाई ने कहा, “स्टेम सेल बायोलॉजी में, लोगों को हमेशा न्यूरॉन की तरह अंतिम सेल प्रकार बनाने पर ध्यान केंद्रित किया जाता है।” “लेकिन भ्रूण के विकास के शुरुआती चरणों में शुरुआत करना महत्वपूर्ण है। उस प्रारंभिक समय बिंदु पर हमारे सावधानीपूर्वक ध्यान ने हमें मस्तिष्क के विकास में इस मौलिक विभाजन को खोजने की अनुमति दी।”

पश्चमस्तिष्क न्यूरॉन्स का बढ़ना

इस ज्ञान से लैस, शोधकर्ताओं ने पहली बार प्रयोगशाला में कार्यात्मक हिंडब्रेन मोटर न्यूरॉन्स बनने के लिए मानव प्लुरिपोटेंट स्टेम कोशिकाओं (एक प्रकार की कोशिका जो मानव शरीर में किसी भी कोशिका का निर्माण कर सकती है) को सफलतापूर्वक तैयार किया। प्रयोगशाला में विकसित इन न्यूरॉन्स ने प्रामाणिक पश्चमस्तिष्क कोशिकाओं के सभी लक्षण प्रदर्शित किए: उन्होंने एक्शन पोटेंशिअल नामक विद्युत गतिविधि की तरंगों का प्रदर्शन किया और प्रोटीन बनाए जो पश्चमस्तिष्क के उन खंडों की पहचान करते हैं जो चेहरे और निगलने वाली मांसपेशियों को नियंत्रित करते हैं।

अंत में, शोधकर्ताओं ने 550 मिलियन वर्ष से अधिक के विकासवादी समय को देखा। उन्होंने मुर्गियों में समान दो-मूल मस्तिष्क पैटर्न पाया; जेब्राफिश; और, उल्लेखनीय रूप से, बलूत के कीड़ों में, समुद्र तल पर रहने वाले छोटे जीव जो मनुष्यों के साथ एक दूर के सामान्य पूर्वज को साझा करते हैं। जेलिफ़िश, जो लगभग 600 से 700 मिलियन वर्ष पहले मनुष्यों से अलग हुई थी, के शरीर के अलग-अलग छोर पर दो तंत्रिका तंत्र होते हैं।

लोह ने कहा, “हमारे शोध से पता चलता है कि विकास ने दो मौजूदा तंत्रिका तंत्रों को लिया और उन्हें स्थानिक रूप से एक साथ धकेल दिया।” “मस्तिष्क को एक अंग के रूप में रखना संभवतः अधिक कुशल होगा, लेकिन हम मस्तिष्क को दो अलग-अलग टुकड़ों के रूप में बनाने के इस मौलिक तरीके पर भरोसा करते हैं।”

जोखाई ने कहा, “मैं अपने निष्कर्षों से आश्चर्यचकित था क्योंकि ‘मस्तिष्क’ शब्द का तात्पर्य एक सन्निहित अंग से है जिसकी उत्पत्ति संभवतः एक ही है।” “लेकिन 500 मिलियन वर्ष पहले भी, ये अलग-अलग तंत्रिका तंत्र थे, जो अब लगभग एक के रूप में काम करते हैं, जो बहुत अच्छा है।”

शोध में एसएमए, एएलएस और मस्तिष्क स्टेम को प्रभावित करने वाली अन्य स्थितियों के उपचार की जांच के लिए भी निहितार्थ हैं। अब तक, इन बीमारियों का अध्ययन करना लगभग असंभव रहा है क्योंकि वैज्ञानिक जीवित रोगियों से मस्तिष्क स्टेम ऊतक प्राप्त नहीं कर सकते हैं। एक डिश में इन न्यूरॉन्स को विकसित करने की क्षमता यह समझने की नई संभावनाएं खोलती है कि क्या गलत होता है। मोटापे के उपचार के साथ एक अप्रत्याशित संबंध भी है: पश्च मस्तिष्क में ऐसे सर्किट होते हैं जो भूख को नियंत्रित करते हैं – ठीक इसी तरह सेमाग्लूटाइड जैसी वजन घटाने वाली दवाएं काम करती हैं।

शोधकर्ता रीढ़ की हड्डी की विकासात्मक उत्पत्ति को निर्धारित करने और यह जानने के लिए अपने अध्ययन का विस्तार करना चाहेंगे कि एसएमए और एएलएस हिंडब्रेन न्यूरॉन्स के कार्य से कैसे समझौता करते हैं।

जोखाई ने कहा, “अब हमारे पास इन विनाशकारी बीमारियों को बेहतर ढंग से समझने और उनके लिए पुनर्योजी उपचारों की दिशा में काम करने के लिए एक मॉडल है।” “यह मस्तिष्क अनुसंधान में एक बहुत ही रोमांचक नई सीमा है।”

कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन फ्रांसिस्को के शोधकर्ताओं ने अध्ययन में योगदान दिया।

यह कार्य राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान द्वारा समर्थित था (अनुदान DP5OD024558, DP2GM146258, R00GM121852, R01DK115728, R01DE027538, T32GM119995, T32GM007365, T32GM007790 और F31DE031154); राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन; पुनर्योजी चिकित्सा के लिए कैलिफोर्निया संस्थान; स्पाइनल मस्कुलर एट्रोफी फाउंडेशन; स्टैनफोर्ड मातृ एवं शिशु स्वास्थ्य अनुसंधान संस्थान अनुदान; स्टैनफोर्ड बेकमैन और लुडविग केंद्र; सीबेल स्टेम सेल संस्थान; स्टाइनहार्ट-रीड फाउंडेशन अनुदान; गैट्सबी चैरिटेबल फाउंडेशन; हॉवर्ड ह्यूजेस मेडिकल इंस्टीट्यूट; पैकार्ड फाउंडेशन; प्यू चैरिटेबल ट्रस्ट; बैक्सटर फाउंडेशन; ह्यूमन फ्रंटियर साइंस प्रोग्राम; और गुमनाम, फिकेल, गिल्बर्ट और स्टाइनहार्ट-रीड परिवार।