माउस मस्तिष्क अध्ययन मानव मन की समझ को बढ़ाते हैं

Google शोधकर्ताओं ने मानव मस्तिष्क के एक अविश्वसनीय रूप से विस्तृत नक्शे का अनावरण किया है, एक छोटे से अभी तक महत्वपूर्ण टुकड़े पर ध्यान केंद्रित करते हुए: मस्तिष्क के ऊतकों के सिर्फ 1 क्यूबिक मिलीमीटर, लगभग चावल के आधे अनाज का आकार। यह नक्शा, जिसे एनकोड करने के लिए डेटा के 1.4 पेटाबाइट्स की आवश्यकता थी, व्यक्तिगत न्यूरॉन्स और उनके जटिल कनेक्शन को उल्लेखनीय स्पष्टता के साथ दिखाया गया है।

भले ही यह मस्तिष्क का एक छोटा हिस्सा है, लेकिन नक्शे ने कुछ आश्चर्यजनक खोजों को जन्म दिया है। "उदाहरण के लिए, हमने कुछ तंत्रिका तारों को इन विशाल समुद्री मील में घुमाया," Google अनुसंधान वैज्ञानिक विरेन जैन कहते हैं। "हम इस बारे में स्पष्ट हैं कि ऐसा क्यों होता है - यह कुछ ऐसा है जो पहले किसी को नहीं देखा गया है।"

अब, विरेन और उनकी टीम चूहों के दिमाग पर अपना ध्यान केंद्रित कर रही है, और एक सम्मोहक कारण के लिए। ये छोटे स्तनधारी सिर्फ हमारे अपने दिमाग के कुछ सबसे गहन रहस्यों को अनलॉक करने की कुंजी को पकड़ सकते हैं। जैसे प्रश्न: हम यादों को कैसे संग्रहीत और पुनः प्राप्त करते हैं? हम वस्तुओं और चेहरों को कैसे पहचानते हैं? हमें इतनी नींद की ज़रूरत क्यों है? और अल्जाइमर और अन्य मस्तिष्क रोगों जैसी स्थितियों में क्या खराबी है?

"मुख्य कारण हमारे पास इन सवालों के जवाबों की कमी है कि हम अभी भी मस्तिष्क का अध्ययन करने के लिए महत्वपूर्ण डेटा को याद कर रहे हैं," विरेन बताते हैं।

मानव मस्तिष्क, इसके 86 बिलियन न्यूरॉन्स और 100 ट्रिलियन सिनैप्स के साथ, हमारे विचारों, भावनाओं, आंदोलनों और दुनिया के साथ बातचीत के पीछे जटिल मशीनरी है। इन तंत्रिका कनेक्शनों, या "कनेक्टम" की मैपिंग करके, हम इस बात की जानकारी प्राप्त कर सकते हैं कि हमारे दिमाग कैसे कार्य करते हैं और वे कभी -कभी क्यों नहीं करते हैं।

सिनैप्टिक स्तर पर विस्तृत नक्शे बनाना कोई छोटी उपलब्धि नहीं है; इसके लिए नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन पर मस्तिष्क की इमेजिंग और डेटा के विशाल संस्करणों को संभालने की आवश्यकता होती है। यह एक तकनीकी चुनौती है जो इमेजिंग, एआई एल्गोरिदम और डेटा प्रबंधन उपकरणों में निरंतर नवाचार की मांग करती है। इसीलिए, एक दशक पहले, Google रिसर्च ने अपनी कनेक्टोमिक्स टीम की स्थापना की।

पिछले दस वर्षों में, टीम ने मस्तिष्क की हमारी समझ को तेज करते हुए, अधिक कुशलता से डेटा को संसाधित करने, विश्लेषण करने और साझा करने के लिए प्रौद्योगिकियों को विकसित करने में महत्वपूर्ण प्रगति की है। उदाहरण के लिए, उन्होंने बाढ़-भरने वाले नेटवर्क की शुरुआत की, जो मशीन लर्निंग का उपयोग करके मस्तिष्क की छवियों में न्यूरॉन्स के अनुरेखण को स्वचालित करते हैं, मैनुअल रंग की आवश्यकता को समाप्त करते हैं। उन्होंने इन नेटवर्क के भीतर कोशिकाओं और सेल प्रकारों के विभिन्न भागों की स्वचालित रूप से पहचान करने के लिए SEGCLR एल्गोरिथ्म भी विकसित किया। इसके अतिरिक्त, उन्होंने बड़े, बहुआयामी छवियों और वॉल्यूम को स्टोर, प्रक्रिया और कल्पना करने में मदद करने के लिए टेंसरस्टोर और न्यूरोग्लैंसर जैसे सॉफ़्टवेयर बनाए।

हालांकि, पूरे मानव मस्तिष्क कनेक्टम को मैप करना एक दूर का लक्ष्य बना हुआ है। इसके लिए डेटा के एक Zettabyte तक विश्लेषण करने की आवश्यकता होगी - एक बिलियन टेराबाइट्स - जो वर्तमान में हमारी तकनीकी पहुंच से परे है। "अभी पूरे मानव मस्तिष्क को मैप करने से अरबों डॉलर और सैकड़ों साल लगेंगे," वीरन मानते हैं।

नतीजतन, शोधकर्ता छोटे जानवरों के दिमाग के बड़े हिस्से या बड़े जानवरों के दिमाग के छोटे वर्गों के मैपिंग पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। 2020 में, कनेक्टोमिक्स टीम ने 25,000 न्यूरॉन्स के बीच कनेक्शन को उजागर करते हुए, फलों के मक्खी के मस्तिष्क के आधे हिस्से को सफलतापूर्वक मैप किया। अन्य शोधकर्ताओं के साथ सहयोग ने भी ज़ेबरा फिंच और ज़ेब्राफिश लार्वा दिमाग के कुछ हिस्सों के लिए कनेक्टोम्स का निर्माण किया है। और मई में, मानव मस्तिष्क ऊतक के 1 क्यूबिक मिलीमीटर का विस्तृत नक्शा विज्ञान में प्रकाशित किया गया था।

इन परियोजनाओं के डेटासेट का उपयोग दुनिया भर में हजारों शोधकर्ताओं द्वारा किया गया है, जो सैकड़ों प्रकाशित खोजों के लिए अग्रणी है।

शोधकर्ताओं ने मानव मस्तिष्क के ऊतकों के एक छोटे से टुकड़े के भीतर लगभग हर न्यूरॉन और उनके कनेक्शन की 3 डी छवि का निर्माण किया है। शीर्ष छवि उत्तेजक न्यूरॉन्स को दिखाती है, पीले रंग में जलाया जाता है, जबकि नीचे की छवि निरोधात्मक न्यूरॉन्स प्रदर्शित करती है, जिसे नीले रंग में हाइलाइट किया गया है।

कनेक्टोमिक्स टीम वर्तमान में माउस के हिप्पोकैम्पस-मेमोरी के गठन, ध्यान और स्थानिक नेविगेशन के लिए जिम्मेदार मस्तिष्क क्षेत्र को मैप करने के लिए हार्वर्ड, प्रिंसटन और अन्य संस्थानों में भागीदारों के साथ सहयोग कर रही है, जिसमें पूरे माउस मस्तिष्क का 2-3% शामिल है।

पूरे मानव मस्तिष्क को मैप करने के साधन के बिना, एक माउस कनेक्टोम का विश्लेषण करना एक व्यावहारिक अगला कदम है। यह संभव है कि वह संभव है और मानव दिमाग पर लागू अंतर्दृष्टि प्राप्त कर सकता है। "जब आप एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के तहत एक माउस मस्तिष्क की जांच करते हैं, तो यह एक मानव मस्तिष्क के समान उल्लेखनीय रूप से दिखता है। यह अनिवार्य रूप से एक लघु संस्करण है," हार्वर्ड में आणविक और सेलुलर जीव विज्ञान के प्रोफेसर जेफ डब्ल्यू। लिचमैन कहते हैं। यही कारण है कि चूहों का उपयोग अक्सर मानव मस्तिष्क विकारों का अध्ययन करने के लिए किया जाता है।

चूहे कनेक्टोमिक्स में नवीनतम फ्रंटियर का प्रतिनिधित्व करते हैं, लेकिन न्यूरोसाइंटिस्ट दशकों से तेजी से जटिल दिमागों की मैपिंग कर रहे हैं। पहला कनेक्टम एक कृमि के मस्तिष्क का था, जिसे 1986 में 16 साल के काम के बाद प्रकाशित किया गया था।

भले ही एक माउस मस्तिष्क मानव मस्तिष्क की तुलना में 1,000 गुना छोटा है, लेकिन इसे मैप करना एक दुर्जेय तकनीकी चुनौती है। नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन पर एक एकल माउस मस्तिष्क कनेक्टम से डेटासेट अब तक का सबसे बड़ा जैविक डेटासेट हो सकता है, जिसका अनुमान 20,000-30,000 टेराबाइट्स है।

"न केवल डेटा को एक चुनौती प्राप्त कर रहा है, बल्कि भंडारण और सटीक रूप से प्रसंस्करण एक और बाधा है," विरेन नोट। "हमारा अनूठा योगदान ऐसे उपकरण विकसित कर रहा है जो सटीकता की सीमाओं को धक्का देते हैं और उन्हें तेजी से बड़े डेटासेट पर लागू करते हैं।"

सफल होने पर, कनेक्टोमिक्स टीम की माउस ब्रेन प्रोजेक्ट पहली बार होगा जब वैज्ञानिकों ने एक स्तनधारी हिप्पोकैम्पस के हिस्से को मैप किया है और सबसे बड़े मस्तिष्क खंड ने मैप किए जाने का प्रयास किया है।

"मौलिक अनुसंधान अविश्वसनीय रूप से मूल्यवान है," विरेन निष्कर्ष निकालते हैं। "मुझे क्या उत्साहित करता है कि एक दिन की समझ ठीक से समझने की संभावना है कि यादें कैसे बनती हैं और क्या मानसिक विकारों या बीमारियों का कारण बनता है। लेकिन इसे प्राप्त करने के लिए, हमें उन तरीकों से प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने की आवश्यकता है जो कुछ दशकों पहले अकल्पनीय थे।"