प्रकाशाच्या मदतीने मेंदूतील पेशींना नियंत्रित करता येते?

वैद्यकशास्त्रातील नोबेल पुरस्कार २०२६ : ऑप्टोजेनेटिक्स आणि मेंदूच्या कार्याचे रहस्य

लेख : विज्ञानकट्टा

प्रकाशाचा एक किरण आणि मेंदूतील विद्युत संदेश!

आपण एखादी सुंदर फुलपाखरू पाहतो, गरम वस्तूला हात लागल्यावर हात मागे घेतो किंवा एखादी आठवण अचानक मनात येते. या सर्व क्रियांमध्ये मेंदूतील चेतापेशी महत्त्वाची भूमिका बजावतात.

पण एक प्रश्न विचार करून पाहा : मेंदूतील एखाद्या विशिष्ट पेशीसमूहामुळे एखादी क्रिया घडते की त्या वेळी तो केवळ सक्रिय असतो? या दोन्ही गोष्टींमध्ये फरक आहे.

हा फरक समजून घेण्यासाठी शास्त्रज्ञांना मेंदूतील विशिष्ट चेतापेशींच्या क्रियेवर नेमके नियंत्रण मिळवता आले, तर किती उपयोग होईल!

२०२६ च्या शरीरक्रियाशास्त्र किंवा वैद्यकशास्त्रातील नोबेल पुरस्काराने कार्ल डिसेरोथ (Karl Deisseroth), पीटर हेगेमन (Peter Hegemann) आणि जॉर्ज नागेल (Georg Nagel) यांच्या संशोधनाचा गौरव केला. प्रकाशाला प्रतिसाद देणाऱ्या आयन वाहिन्यांचा शोध आणि ऑप्टोजेनेटिक्स या तंत्रज्ञानाच्या विकासातील त्यांचे योगदान मेंदूविज्ञानासाठी महत्त्वाचे ठरले.

सुरुवात झाली एका सूक्ष्म शैवालाच्या अभ्यासातून!

पीटर हेगेमन आणि जॉर्ज नागेल हे प्रकाशाला प्रतिसाद देणाऱ्या सूक्ष्म जीवांमधील जैविक यंत्रणांचा अभ्यास करत होते.

Chlamydomonas हा एकपेशीय हिरवा शैवाल प्रकाशाच्या दिशेने हालचाल करू शकतो. प्रकाशाची जाणीव करून घेण्यासाठी त्याच्या पेशींमध्ये विशिष्ट जैविक यंत्रणा असते.

या शैवालाचा अभ्यास करताना शास्त्रज्ञांना प्रकाशसंवेदनशील प्रथिनांचे महत्त्व समजले. त्यांपैकी Channelrhodopsin-2 हे प्रथिन विशेष महत्त्वाचे ठरले.

या शोधाने पुढे मेंदूतील चेतापेशींचा अभ्यास करण्यासाठी एक नवा मार्ग खुला केला.

प्रकाशसंवेदनशील प्रथिन म्हणजे काय?

आपल्या पेशींच्या आवरणामध्ये विविध प्रकारची प्रथिने असतात. त्यांपैकी काही प्रथिने विशिष्ट पदार्थांना पेशीत प्रवेश करू देतात किंवा बाहेर जाण्यास मदत करतात. अशा रचनांना आयन वाहिन्या (Ion Channels) म्हणतात, जेव्हा त्यातून विद्युतभारित आयन प्रवास करतात.

Channelrhodopsin-2 हे प्रकाशाच्या प्रतिसादात उघडणारे आयन वाहिनीचे प्रथिन आहे. विशिष्ट प्रकाश, विशेषतः निळा प्रकाश, त्यावर पडल्यावर त्याची रचना बदलते आणि आयनांना पेशीच्या आवरणातून जाण्याचा मार्ग मिळतो.

आयनांच्या या हालचालीमुळे पेशीतील विद्युतस्थिती बदलू शकते.

चेतापेशींच्या बाबतीत हा बदल विद्युत संदेश निर्माण करण्यास मदत करू शकतो.

सोप्या भाषेत सांगायचे तर, या प्रथिनाच्या मदतीने प्रकाशाचा उपयोग पेशीतील विद्युत क्रिया नियंत्रित करण्यासाठी करता येतो.

मग मेंदूतील पेशींमध्ये हे प्रथिन वापरता येईल का?

हा पुढचा महत्त्वाचा प्रश्न होता.

कार्ल डिसेरोथ आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी प्रकाशसंवेदनशील प्रथिनांचा उपयोग चेतापेशींमध्ये करण्यासाठी संशोधन केले. त्यांनी जनुकीय तंत्रांचा वापर करून विशिष्ट चेतापेशींमध्ये अशी प्रथिने तयार करण्याच्या पद्धती विकसित केल्या.

यातून ऑप्टोजेनेटिक्स (Optogenetics) या तंत्रज्ञानाच्या विकासाला मोठी चालना मिळाली.

या शब्दातील ऑप्टो म्हणजे प्रकाश, तर जेनेटिक्स म्हणजे जनुकांशी संबंधित विज्ञान. या तंत्रात जनुकीय पद्धतीने प्रकाशसंवेदनशील प्रथिने विशिष्ट पेशींमध्ये तयार केली जातात आणि प्रकाशाच्या मदतीने त्या पेशींच्या क्रियेचा अभ्यास केला जातो.

प्रयोग कसा केला जातो?

ऑप्टोजेनेटिक्समधील प्रयोग अनेक टप्प्यांत केले जातात.

१. विशिष्ट पेशी निवडल्या जातात.

शास्त्रज्ञांना ज्या चेतापेशींचा अभ्यास करायचा आहे, त्या पेशींमध्ये प्रकाशसंवेदनशील प्रथिन तयार होईल अशी जनुकीय व्यवस्था केली जाते.

२. पेशींमध्ये प्रथिन तयार होते.

योग्य जनुक पेशींपर्यंत पोहोचवल्यानंतर त्या पेशी प्रकाशसंवेदनशील प्रथिन तयार करू शकतात. कोणत्या पेशींमध्ये प्रथिन तयार होईल, यावर नियंत्रण ठेवणे महत्त्वाचे असते.

३. पेशींवर प्रकाश टाकला जातो.

विशिष्ट तरंगलांबीचा प्रकाश देण्यासाठी प्रकाशतंतू किंवा इतर योग्य प्रकाशव्यवस्था वापरली जाते.

४. पेशींच्या विद्युत क्रियेत बदल होतो.

प्रकाशसंवेदनशील प्रथिन सक्रिय झाल्यावर पेशीच्या आवरणातून आयनांची हालचाल होते. योग्य परिस्थितीत त्यामुळे चेतापेशी सक्रिय होऊ शकतात.

५. परिणामांचे मोजमाप केले जाते.

विद्युत संकेत, मेंदूतील क्रिया आणि काही प्रयोगांत प्राण्यांच्या वर्तनातील बदल नोंदवले जातात. या माहितीच्या आधारे संबंधित पेशींची भूमिका समजून घेण्याचा प्रयत्न केला जातो.

यामुळे एखाद्या पेशीसमूहाची क्रिया आणि विशिष्ट वर्तन यांच्यातील संबंध अधिक नेमकेपणाने तपासता येतो.

मेंदूविज्ञानासाठी हा शोध इतका महत्त्वाचा का?

मेंदू हा एक अत्यंत गुंतागुंतीचा अवयव आहे. त्यातील अनेक चेतापेशी एकाच वेळी कार्यरत असतात. त्यामुळे एखाद्या पेशीसमूहाची नेमकी भूमिका समजून घेणे कठीण असते.

समजा, एखाद्या प्राण्याच्या मेंदूतील विशिष्ट चेतापेशी सक्रिय असताना तो चालू लागतो. यावरून त्या पेशी चालण्यास कारणीभूत आहेत, असे लगेच म्हणता येणार नाही. कदाचित त्या पेशी चालण्याच्या प्रक्रियेशी संबंधित असतील; पण त्यांची भूमिका वेगळीही असू शकते.

ऑप्टोजेनेटिक्समुळे शास्त्रज्ञ निवडक पेशी सक्रिय करून त्यानंतर काय घडते, हे पाहू शकतात. काही प्रकाशसंवेदनशील प्रणालींच्या मदतीने पेशींची क्रिया कमी करण्याचाही अभ्यास करता येतो.

उदाहरणार्थ, एखाद्या विशिष्ट पेशीसमूहाला सक्रिय केल्यावर हालचालीत बदल होतो का, किंवा त्याची क्रिया रोखल्यावर एखादी प्रतिक्रिया कमी होते का, हे तपासता येते.

अशा प्रयोगांमुळे मेंदूतील पेशी, वर्तन आणि मज्जासंस्थेच्या कार्यामधील कारण-परिणाम संबंध समजून घेण्यास मदत होते.

या संशोधनाचा वैद्यकीय उपयोग काय?

ऑप्टोजेनेटिक्समुळे मेंदू आणि मज्जासंस्थेतील पेशींच्या कार्याचा अधिक नेमकेपणाने अभ्यास करता येतो. त्यामुळे अपस्मार, पार्किन्सनसारखे आजार आणि इतर न्यूरोलॉजिकल विकारांमध्ये कोणत्या पेशीसमूहांची भूमिका आहे, हे समजून घेण्यासाठी संशोधकांना मदत होऊ शकते.

प्रकाशसंवेदनशील प्रथिनांचा वापर दृष्टी पुनर्स्थापित करण्याच्या काही प्रायोगिक उपचारपद्धतींमध्येही तपासला जात आहे. उदाहरणार्थ, काही प्रकारच्या रेटिनाच्या आजारांमध्ये प्रकाश ओळखणाऱ्या पेशींचे कार्य बिघडते. अशा परिस्थितीत इतर पेशींना प्रकाशसंवेदनशील बनवण्याच्या पद्धतींवर संशोधन झाले आहे.

मात्र, हे तंत्रज्ञान सर्व आजारांवर उपचार करणारा तयार उपाय नाही. अनेक उपयोग अजून संशोधनाच्या किंवा वैद्यकीय चाचण्यांच्या टप्प्यांवर आहेत. त्यांची सुरक्षितता, परिणामकारकता आणि दीर्घकालीन परिणाम काळजीपूर्वक तपासावे लागतात.

या संशोधनाचे महत्त्व केवळ उपचारांच्या शक्यतांमध्ये नाही, तर मेंदू कसा कार्य करतो हे अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्याच्या क्षमतेतही आहे.

या शोधाची सुरुवात एका साध्या निरीक्षणातून झाली : काही सूक्ष्म जीव प्रकाशाला प्रतिसाद देतात.

त्या निरीक्षणामागील जैविक यंत्रणा समजून घेतल्यानंतर शास्त्रज्ञांनी तिचा उपयोग पूर्णपणे वेगळ्या क्षेत्रात — मेंदूविज्ञानात — केला.

विज्ञानातील एका क्षेत्रातील शोध दुसऱ्या क्षेत्रातील प्रश्न सोडवण्यासाठी उपयोगी पडू शकतो, याचे हे उत्तम उदाहरण आहे.

शाळेत विज्ञान शिकताना एखाद्या संकल्पनेचा उपयोग फक्त त्या धड्यापुरता मर्यादित ठेवू नका. प्रकाश, विद्युत, पेशी, जनुके आणि चेतासंस्था या वेगवेगळ्या वाटणाऱ्या गोष्टी एकमेकांशी कशा जोडल्या जाऊ शकतात, याचा विचार करा.

नवीन शोध अनेकदा अशा वेगवेगळ्या ज्ञानशाखांच्या संगमातून जन्म घेतात.

शेवटी...

प्रकाश आपल्याला वस्तू पाहण्यासाठी मदत करतो, हे आपल्याला माहीत आहे. पण प्रकाशाचा उपयोग जिवंत पेशींच्या विद्युत क्रियेवर नियंत्रण मिळवण्यासाठीही करता येतो, ही कल्पना विज्ञानातील एक मोठी झेप आहे.

पीटर हेगेमन आणि जॉर्ज नागेल यांच्या प्रकाशसंवेदनशील प्रथिनांवरील संशोधनाने या तंत्राचा पाया घातला. कार्ल डिसेरोथ आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी त्याचा उपयोग चेतापेशींच्या अभ्यासासाठी पुढे नेला.

या संशोधनातून आपल्याला एक सुंदर गोष्ट शिकायला मिळते : निसर्गातील एखादी साधी वाटणारी प्रक्रिया समजून घेतली, तर तिच्या मदतीने मानवी शरीरातील अत्यंत गुंतागुंतीची रहस्ये उलगडण्याचा मार्गही मिळू शकतो.

विज्ञानकट्टा — विज्ञान समजून घेऊया, कुतूहल जागवूया!