सोनोजेनेटिक्स का नया क्षेत्र मस्तिष्क कोशिकाओं के व्यवहार को नियंत्रित करने के लिए ध्वनि तरंगों का उपयोग करता है

सोनोजेनेटिक्स का नया क्षेत्र मस्तिष्क कोशिकाओं के व्यवहार को नियंत्रित करने के लिए ध्वनि तरंगों का उपयोग करता है
ध्वनि तरंगों को एक चमकती हुई रोशनी के रूप में प्रदर्शित किया जाता है। natrot / Shutterstock.com

क्या होगा अगर आपको दोषपूर्ण हृदय पर पेसमेकर लगाने के लिए सर्जरी की आवश्यकता नहीं थी? क्या होगा यदि आप इंसुलिन के इंजेक्शन के बिना अपने रक्त शर्करा के स्तर को नियंत्रित कर सकते हैं, या एक बटन को भी धक्का दिए बिना एक जब्ती की शुरुआत को कम कर सकते हैं?

मैं और वैज्ञानिकों की एक टीम मेरी प्रयोगशाला पर साल्क इंस्टीट्यूट सोनोजेनेटिक्स नामक एक नई तकनीक विकसित करके इन चुनौतियों से निपटा जा रहा है, ध्वनि का उपयोग करने वाली कोशिकाओं की गतिविधि को गैर-मुख्य रूप से नियंत्रित करने की क्षमता।

प्रकाश से ध्वनि तक

मैं एक न्यूरोसाइंटिस्ट हूं यह समझने में रुचि है कि मस्तिष्क कैसे पर्यावरणीय परिवर्तनों का पता लगाता है और प्रतिक्रिया करता है। न्यूरोसाइंटिस्ट हमेशा जीवित मस्तिष्क में न्यूरॉन्स को प्रभावित करने के तरीकों की तलाश में रहते हैं ताकि हम परिणाम का विश्लेषण कर सकें और समझ सकें कि मस्तिष्क कैसे काम करता है और मस्तिष्क विकारों का बेहतर इलाज कैसे किया जाता है।

इन विशिष्ट परिवर्तनों को बनाने के लिए नए उपकरणों के विकास की आवश्यकता होती है। पिछले दो दशकों से मेरे क्षेत्र में शोधकर्ताओं के लिए गो-टू टूल ऑप्टोजेनेटिक्स, एक तकनीक है, जिसमें जानवरों में इंजीनियर मस्तिष्क कोशिकाएं प्रकाश से नियंत्रित होती हैं। इस प्रक्रिया में लक्ष्य क्षेत्र में प्रकाश पहुंचाने के लिए पशु के मस्तिष्क के भीतर एक ऑप्टिक फाइबर को सम्मिलित करना शामिल है।

जब इन तंत्रिका कोशिकाओं को नीली रोशनी के संपर्क में लाया जाता है, तो प्रकाश-संवेदनशील प्रोटीन सक्रिय होता है, जिससे मस्तिष्क की कोशिकाएं एक-दूसरे के साथ संवाद करती हैं और पशु के व्यवहार को संशोधित करती हैं। उदाहरण के लिए, पार्किंसंस रोग वाले जानवर हो सकते हैं प्रकाश को चमकाने से उनके अनैच्छिक कंपन ठीक हो जाते हैं मस्तिष्क की कोशिकाओं पर जो विशेष रूप से इंजीनियर हैं उन्हें हल्का-संवेदनशील बनाते हैं। लेकिन स्पष्ट दोष यह है कि यह प्रक्रिया शल्य चिकित्सा द्वारा मस्तिष्क में एक केबल प्रत्यारोपित करने पर निर्भर करती है - एक रणनीति जिसे आसानी से लोगों में अनुवादित नहीं किया जा सकता है।

मेरा लक्ष्य यह पता लगाना था कि प्रकाश का उपयोग किए बिना मस्तिष्क को कैसे हेरफेर करना है।

ध्वनि नियंत्रण

मुझे पता चला कि अल्ट्रासाउंड - मानव श्रवण की सीमा से परे ध्वनि तरंगें, जो कि गैर-संवेदनशील और सुरक्षित हैं - कोशिकाओं को नियंत्रित करने का एक शानदार तरीका है। चूंकि ध्वनि यांत्रिक ऊर्जा का एक रूप है, मुझे लगा कि अगर मस्तिष्क की कोशिकाओं को यंत्रवत् संवेदनशील बनाया जा सकता है, तो हम उन्हें अल्ट्रासाउंड के साथ संशोधित कर सकते हैं। इस शोध ने हमें इस खोज की ओर अग्रसर किया पहले प्राकृतिक रूप से होने वाला प्रोटीन मैकेनिकल डिटेक्टर कि मस्तिष्क की कोशिकाओं को अल्ट्रासाउंड के प्रति संवेदनशील बना दिया।

हमारी तकनीक दो चरणों में काम करती है। पहले हम एक वितरण उपकरण के रूप में वायरस का उपयोग करके मस्तिष्क की कोशिकाओं में खराबी के लिए नई आनुवंशिक सामग्री का परिचय देते हैं। यह इन कोशिकाओं को अल्ट्रासाउंड-उत्तरदायी प्रोटीन बनाने के लिए निर्देश प्रदान करता है।

अगला कदम पशु के शरीर के बाहर एक उपकरण से अल्ट्रासाउंड दालों का उत्सर्जन है जो ध्वनि-संवेदनशील प्रोटीन के साथ कोशिकाओं को लक्षित करता है। अल्ट्रासाउंड पल्स दूरस्थ रूप से कोशिकाओं को सक्रिय करता है।

सोनोजेनेटिक्स का नया क्षेत्र मस्तिष्क कोशिकाओं के व्यवहार को नियंत्रित करने के लिए ध्वनि तरंगों का उपयोग करता है
ध्वनि की आवृत्ति पर्वतमाला, श्रव्य और अल्ट्रासाउंड तरंगों और जानवरों के लिए होती है जो उन्हें सुन सकते हैं। लोग केवल 20 Hz और 20,000 Hz के बीच ही सुन पा रहे हैं। Designua / Shutterstock.com

कृमियों में प्रमाण

हम पहले थे कि कैसे दिखा सोनोजेनेटिक्स का उपयोग न्यूरॉन्स को सक्रिय करने के लिए किया जा सकता है नामक सूक्ष्म कृमि में Caenorhabditis एलिगेंस.

आनुवंशिक तकनीकों का उपयोग करते हुए, हमने TRP-4 नामक एक स्वाभाविक रूप से पाए जाने वाले प्रोटीन की पहचान की - जो कि कृमि के कुछ न्यूरॉन्स में मौजूद है - जो कि अल्ट्रासाउंड दबाव परिवर्तनों के प्रति संवेदनशील था। अल्ट्रासोनिक रेंज में होने वाली ध्वनि दबाव तरंगें मानव श्रवण के लिए सामान्य सीमा से ऊपर होती हैं। चमगादड़, व्हेल और यहां तक ​​कि पतंगे सहित कुछ जानवर, इन अल्ट्रासोनिक आवृत्तियों पर संवाद कर सकते हैं, लेकिन हमारे प्रयोगों में उपयोग की जाने वाली आवृत्तियां इन जानवरों से भी आगे निकल सकती हैं।

मेरी टीम और मैंने यह दिखाया कि TRP-4 प्रोटीन वाले न्यूरॉन्स अल्ट्रासोनिक आवृत्तियों के प्रति संवेदनशील हैं। इन आवृत्तियों पर ध्वनि तरंगों ने कृमि के व्यवहार को बदल दिया। हमने आनुवंशिक रूप से कृमि के 302 न्यूरॉन्स में से दो को बदल दिया और TRP-4 जीन जोड़ा हम पिछले अध्ययनों से जानते थे यांत्रिकीकरण के साथ शामिल था।

हमने दिखाया कि कैसे अल्ट्रासाउंड दालों कीड़े को दिशा बदल सकते हैं, जैसे कि हम एक कृमि रिमोट कंट्रोल का उपयोग कर रहे थे। इन अवलोकनों ने साबित किया कि हम अल्ट्रासाउंड का उपयोग मस्तिष्क में कुछ भी सम्मिलित किए बिना जीवित जानवरों में मस्तिष्क समारोह का अध्ययन करने के लिए एक उपकरण के रूप में कर सकते हैं।

ध्वनि-संवेदनशील प्रोटीन ले जाने वाले कृमि के लिए एक अल्ट्रासाउंड पल्स भेजना यह दिशा बदलने का कारण बनता है:

सोनोजेनेटिक्स के फायदे

इस आरंभिक खोज ने एक नई तकनीक के जन्म को चिह्नित किया, जो यह बताती है कि ध्वनि द्वारा कोशिकाएं कैसे उत्तेजित हो सकती हैं। इसके अतिरिक्त, मेरा मानना ​​है कि हमारे परिणाम बताते हैं कि सोनोजेनेटिक्स को विभिन्न प्रकार के सेल प्रकारों और सेलुलर कार्यों में हेरफेर करने के लिए लागू किया जा सकता है।

सी एलिगेंस इस तकनीक को विकसित करने के लिए एक अच्छा प्रारंभिक बिंदु था क्योंकि जानवर अपेक्षाकृत सरल है, केवल 302 न्यूरॉन्स के साथ। इनमें से TRP-4 केवल आठ न्यूरॉन्स में है। इसलिए हम पहले उन पर TRP-4 जोड़कर अन्य न्यूरॉन्स को नियंत्रित कर सकते हैं और फिर इन विशिष्ट न्यूरॉन्स पर सटीक रूप से अल्ट्रासाउंड निर्देशित कर सकते हैं।

लेकिन मनुष्य, कीड़े के विपरीत, TRP-4 जीन नहीं है। इसलिए मेरी योजना ध्वनि-संवेदनशील प्रोटीन को विशिष्ट मानव कोशिकाओं में शामिल करना है जिसे हम नियंत्रित करना चाहते हैं। इस दृष्टिकोण का लाभ यह है कि अल्ट्रासाउंड मानव शरीर में किसी भी अन्य कोशिकाओं के साथ हस्तक्षेप नहीं करेगा।

वर्तमान में यह ज्ञात नहीं है कि TRP-4 के अलावा अन्य प्रोटीन अल्ट्रासाउंड के लिए संवेदनशील हैं या नहीं। ऐसे प्रोटीन की पहचान करना, यदि कोई हो, तो मेरी प्रयोगशाला और क्षेत्र में गहन अध्ययन का एक क्षेत्र है।

सोनोजेनेटिक्स के बारे में सबसे अच्छी बात यह है कि इसके लिए मस्तिष्क प्रत्यारोपण की आवश्यकता नहीं होती है। सोनोजेनेटिक्स के लिए, हम कृत्रिम रूप से इंजीनियर वायरस का उपयोग करते हैं - जो कि दोहराने में असमर्थ हैं - मस्तिष्क कोशिकाओं को आनुवंशिक सामग्री देने के लिए। यह कोशिकाओं को ध्वनि-संवेदनशील प्रोटीन बनाने की अनुमति देता है। इस विधि का उपयोग किया गया है मानव रक्त में आनुवंशिक सामग्री वितरित करें तथा हृदय की मांसपेशियों की कोशिकाएँ सूअरों में।

सोनोजेनेटिक्स, हालांकि अभी भी विकास के बहुत शुरुआती चरणों में, पार्किंसंस, मिर्गी और डिस्केनेसिया सहित विभिन्न आंदोलन-संबंधी विकारों के लिए एक उपन्यास चिकित्सीय रणनीति प्रदान करता है। इन सभी बीमारियों में, मस्तिष्क की कुछ कोशिकाएँ काम करना बंद कर देती हैं और सामान्य गति को रोक देती हैं। सोनोजेनेटिक्स डॉक्टरों को एक विशिष्ट स्थान या समय पर मस्तिष्क की कोशिकाओं को चालू या बंद करने में सक्षम कर सकता है और मस्तिष्क सर्जरी के बिना इन आंदोलन विकारों का इलाज कर सकता है।

इस काम के लिए, मस्तिष्क के लक्ष्य क्षेत्र को ध्वनि-संवेदनशील प्रोटीन के लिए जीन ले जाने वाले वायरस से संक्रमित होने की आवश्यकता होगी। यह चूहों में किया गया है लेकिन अभी तक मनुष्यों में नहीं किया गया है। जीन थेरेपी बेहतर और अधिक सटीक हो रही है, और मैं उम्मीद कर रहा हूं कि अन्य शोधकर्ताओं ने यह पता लगाया होगा कि जब तक हम अपनी सोनोजेनेटिक तकनीक के साथ तैयार हैं, तब तक यह कैसे करना है।

सोनोजेनेटिक्स का विस्तार

हमें प्राप्त हुआ है पर्याप्त समर्थन इस तकनीक को आगे बढ़ाने के लिए, प्रारंभिक अध्ययन को ईंधन दें और एक अंतःविषय टीम की स्थापना करें।

अतिरिक्त धन के साथ रक्षा उन्नत अनुसंधान परियोजनाओं एजेंसी से ElectRx कार्यक्रम, हम उन प्रोटीनों को खोजने पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं जो न्यूरॉन्स को "बंद" करने में हमारी मदद कर सकते हैं। हमने हाल ही में प्रोटीन की खोज की है जिसे न्यूरॉन्स (अप्रकाशित कार्य) को सक्रिय करने के लिए हेरफेर किया जा सकता है। यह एक चिकित्सीय रणनीति विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है जिसका उपयोग पार्किंसंस जैसे केंद्रीय तंत्रिका तंत्र रोगों के इलाज के लिए किया जा सकता है।

मिमोसा पुदिका के पौधे के पत्ते को छूने से एक तह प्रतिक्रिया होती है जो पत्तियों को बंद कर देती है। संयंत्र अल्ट्रासाउंड के लिए भी संवेदनशील है जो एक ही प्रतिक्रिया को ट्रिगर कर सकता है:

हमारी टीम सोनोजेनेटिक तकनीक के विस्तार पर भी काम कर रही है। अब हमने देखा है कि कुछ पौधे, जैसे कि "मुझे स्पर्श न करें" (मिमोसा पुद्दिका), अल्ट्रासाउंड के लिए संवेदनशील हैं। जिस तरह इस पौधे की पत्तियों को छूने और हिलाने पर अंदर की ओर ढहने और मोड़ने के लिए जाना जाता है, एक अलग शाखा में अल्ट्रासाउंड के दालों को लागू करने से एक ही प्रतिक्रिया उत्पन्न होती है। अंत में, हम परीक्षण करने के लिए एक अलग विधि विकसित कर रहे हैं यदि अल्ट्रासाउंड अग्नाशयी कोशिकाओं से इंसुलिन स्राव जैसी चयापचय प्रक्रियाओं को प्रभावित कर सकता है।

सोनोजेनेटिक्स एक दिन दवाओं को दरकिनार कर सकता है, इनवेसिव ब्रेन सर्जरी की आवश्यकता को हटा सकता है और पोस्ट-ट्रॉमैटिक स्ट्रेस डिसऑर्डर और मूवमेंट विकारों से लेकर क्रोनिक दर्द तक की स्थितियों के लिए उपयोगी हो सकता है। सोनोजेनेटिक्स के लिए महान क्षमता यह है कि इस तकनीक को लगभग किसी भी प्रकार के सेल को नियंत्रित करने के लिए लागू किया जा सकता है: अग्न्याशय में एक इंसुलिन-उत्पादक सेल से हृदय को पेस करने के लिए।

हमारी आशा है कि सोनोजेनेटिक्स तंत्रिका विज्ञान और चिकित्सा के क्षेत्र में क्रांति लाए।

लेखक के बारे में

श्रीकांत चालसानीएसोसिएट प्रोफेसर ऑफ मॉलिक्यूलर न्यूरोबायोलॉजी (सल्क इंस्टीट्यूट) और न्यूरोबायोलॉजी के सहायक सहायक प्रोफेसर, कैलिफोर्निया के सैन डिएगो के विश्वविद्यालय

इस लेख से पुन: प्रकाशित किया गया है वार्तालाप क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत। को पढ़िए मूल लेख.

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