अध्ययन से पता चलता है कि केवल चार न्यूरॉन्स फल मक्खियों को निर्धारित समय पर रखते हैं

फल मक्खी, ड्रोसोफिला मेलानोगास्टर की दैनिक लय को नियंत्रित करने के लिए एक छोटा तंत्रिका नेटवर्क पर्याप्त है। वुर्जबर्ग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि जानवरों की अंतर्जात घड़ी को चलाने के लिए केवल चार विशेष तंत्रिका कोशिकाएं आवश्यक हैं।

लगभग सभी जीवित प्राणियों में एक अंतर्जात घड़ी होती है जो उन्हें अपने व्यवहार और शारीरिक कार्यों को दिन और रात की प्राकृतिक लय में अनुकूलित करने में सक्षम बनाती है। इस तथाकथित सर्कैडियन लय को विशेष तंत्रिका कोशिकाओं के एक जटिल नेटवर्क द्वारा नियंत्रित किया जाता है। फल मक्खी में, कालक्रम विज्ञान के लिए एक प्रमुख मॉडल जीव, इस घड़ी नेटवर्क में लगभग 240 न्यूरॉन्स होते हैं। तुलनात्मक रूप से, इनमें से हजारों कोशिकाएँ मनुष्यों सहित स्तनधारियों में पाई जाती हैं।

यह जटिलता पेसमेकर की सटीक कार्यप्रणाली को समझना चुनौतीपूर्ण बना देती है। जिस तरह से ये कोशिकाएं परस्पर क्रिया करती हैं, और कौन सी कोशिकाएं नेटवर्क के नियंत्रण में हैं, यह लंबे समय से चल रही बहस का विषय रहा है।

हाल तक, क्रोनोबायोलॉजिस्ट मानते थे कि मस्तिष्क के किनारों पर स्थित कुछ न्यूरॉन्स मुख्य पेसमेकर के रूप में कार्य करते हैं, जो पूरे सिस्टम को सिंक्रनाइज़ करते हैं। हालाँकि, एक नए अध्ययन से पता चलता है कि समय माप विभिन्न घड़ी न्यूरॉन्स के एक छोटे समूह पर आधारित है, और इस समूह के अन्य न्यूरॉन्स भी मुख्य पेसमेकर का कार्य कर सकते हैं।

यह अध्ययन जूलियस-मैक्सिमिलियंस-यूनिवर्सिटेट वुर्जबर्ग (जेएमयू) में न्यूरोबायोलॉजी और जेनेटिक्स के अध्यक्ष की एक शोध टीम द्वारा आयोजित किया गया था, जिसका नेतृत्व क्रोनोबायोलॉजी के वरिष्ठ प्रोफेसर प्रोफेसर चार्लोट फोर्स्टर ने किया था। पहले लेखक डॉ. निल्स रेनहार्ड हैं, जो चेयर के शोध सहयोगी हैं। टीम के पास अब है प्रकाशित में उनके परिणाम राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाही.

कम अधिक है: पेसमेकर के रूप में एक कोर सर्किट

क्लॉक नेटवर्क के बुनियादी सिद्धांतों को समझने के लिए, अनुसंधान टीम ने एक सरल रणनीति अपनाई: इसने एक मौलिक रूप से सरलीकृत प्रणाली की जांच की। रेइनहार्ड बताते हैं, “हमारे प्रयोग में, हमने अंतर्जात घड़ी में हेरफेर किया ताकि यह केवल चार विशिष्ट न्यूरॉन्स के एक छोटे समूह में सक्रिय रहे, जिनमें से दो मस्तिष्क के प्रत्येक गोलार्ध में स्थित हैं।” मक्खी के शेष 236 क्लॉक न्यूरॉन्स की सर्कैडियन घड़ी आनुवंशिक रूप से “खामोश” थी, जिसका अर्थ है कि उनके पास अब कोई कार्यशील आणविक घड़ी नहीं थी।

परिणाम आश्चर्यजनक था: “ये चार न्यूरॉन्स अकेले मक्खी की बेसल गतिविधि लय को बनाए रखने के लिए पर्याप्त थे,” रेइनहार्ड कहते हैं। वास्तव में, इस भारी कमी के बावजूद, जानवरों ने अपने विशिष्ट व्यवहार का प्रदर्शन किया, गतिविधि का एक चरण सुबह और एक चरण शाम को। यह व्यवहार बाहरी पर्यावरणीय प्रभावों के अभाव में भी बना रहा।

शामिल वैज्ञानिकों के अनुसार, यह परिणाम पिछले मॉडल की नींव को हिला देता है, क्योंकि क्लॉक नेटवर्क के कथित मुख्य पेसमेकर ने इस निर्णायक प्रयोग में टाइमकीपर के रूप में सक्रिय भूमिका नहीं निभाई।

शोधकर्ताओं ने इन चार घड़ी न्यूरॉन्स द्वारा अपने समय की जानकारी संचारित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सटीक सिग्नलिंग मार्गों की भी पहचान की। न्यूरॉन्स सुबह और शाम की गतिविधि के लिए दो अलग-अलग रासायनिक दूतों का उपयोग करते हैं:

• सुबह की गतिविधि: न्यूरॉन्स न्यूरोपेप्टाइड CCHamide-1 (CCHa1) का उपयोग करते हैं।
• शाम की गतिविधि: इसे क्लासिक न्यूरोट्रांसमीटर ग्लूटामेट द्वारा नियंत्रित किया जाता है।

वुर्जबर्ग अनुसंधान टीम द्वारा किए गए प्रयोगों से पता चलता है कि इस न्यूनतम सर्किट में बेसल सर्कैडियन लय को व्यवस्थित करने के लिए सभी आवश्यक उपकरण हैं। ऐसा प्रतीत होता है कि इस न्यूनतम नेटवर्क से संबंधित न्यूरॉन्स जानवर के विकासात्मक इतिहास में गहराई से निहित हैं।

प्रारंभिक विकास से एक खाका

जटिल तंत्रिका तंत्र की कार्यप्रणाली में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि अक्सर विकासात्मक जीव विज्ञान से आती है। इस अध्ययन में भी यही मामला था: विश्लेषण से पता चला कि जांच किए गए चार न्यूरॉन्स केवल 18 न्यूरॉन्स के नेटवर्क का हिस्सा हैं जो मक्खी के लार्वा चरण में पहले से ही पूरी तरह से गठित हैं। ये प्रारंभिक-जन्मी तंत्रिका कोशिकाएँ वयस्कता तक बनी रहती हैं।

शोधकर्ताओं ने इससे एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष निकाला: “यह न्यूनतम नेटवर्क एक प्रकार की ‘कोर घड़ी’ बनाता है जो बहुत पहले ही स्थापित हो जाती है और वयस्क मक्खियों में मौलिक सर्कैडियन लय उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त है,” रेनहार्ड कहते हैं।

विकास के बाद के चरणों में जोड़े गए कई अतिरिक्त क्लॉक न्यूरॉन्स संभवतः बाहरी पर्यावरणीय उत्तेजनाओं को एकीकृत करके और न्यूनतम नेटवर्क को मॉड्यूलेट करके इस कोर क्लॉक को ठीक करते हैं। वे वयस्क मक्खियों को अपने व्यवहार को अधिक जटिल पर्यावरणीय परिस्थितियों, जैसे दिन की लंबाई में मौसमी परिवर्तन, के अनुसार लचीले ढंग से अनुकूलित करने में सक्षम बनाते हैं।

दो प्रतिस्पर्धी मॉडलों के बीच अंतर को पाटना

इस प्रकार अध्ययन यह दिखाते हुए दो पहले से प्रतिस्पर्धी मॉडलों के बीच अंतर को पाटता है कि सर्कैडियन घड़ी में मुख्य पेसमेकर के साथ-साथ अनुकूलन के लिए लचीले नेटवर्क जैसे गुणों के साथ एक स्पष्ट पदानुक्रम है। रेनहार्ड के अनुसार, अतिरिक्त मॉड्यूलेशन द्वारा विस्तारित कोर घड़ी का यह सिद्धांत जैविक समय माप का एक सार्वभौमिक संगठनात्मक सिद्धांत हो सकता है।

यह कार्य बुनियादी शोध है. इसके निष्कर्ष उन मूलभूत सिद्धांतों को समझने में मदद करते हैं जिनके द्वारा घड़ी नेटवर्क व्यवस्थित और कार्य करते हैं। यह अवलोकन कि विकास के दौरान अंतर्जात घड़ी की जटिलता बढ़ जाती है, कोई अलग मामला नहीं है।

मधुमक्खियों जैसे अन्य कीड़ों में भी क्लॉक न्यूरॉन्स में वृद्धि देखी गई है। स्तनधारियों में भी समानताएं हैं: यौवन के दौरान, मस्तिष्क में घड़ी केंद्र में नए न्यूरॉन्स जुड़ जाते हैं। इसलिए, धीरे-धीरे विस्तारित होने वाली “कोर क्लॉक” का मॉडल अन्य जीवों पर भी लागू किया जा सकता है।