પ્રકાશથી મગજને ચાલુ-બંધ કરતી સ્વિચ : ઓપ્ટોજેનેટિક્સ

એક નાનકડી શેવાળે વિજ્ઞાનીના મનમાં સવાલ ઊભો કર્યો. એ સવાલમાંથી પ્રકાશથી ખૂલતા પ્રોટીનની શોધ થઈ. એ પ્રોટીન ન્યુરોન્સ સુધી પહોંચ્યું અને ન્યુરોન્સ સુધી પહોંચેલો એ પ્રકાશ આખરે માનવ મગજના રહસ્યો તરફનો નવો રસ્તો બની ગયો.

સાંભળવામાં આ વાત સાયન્સ ફિક્શન જેવી લાગે છે, પરંતુ ૨૦૨૬ના મેડિસિન અને ફિઝિયોલોજીના નોબેલ પુરસ્કારથી સન્માનિત થયેલી શોધે આ વાતને હકીકત બનાવી છે. કલ્પના કરો કે તમારા મગજના હજારો-લાખો ન્યુરોન્સમાંથી વિજ્ઞાનીઓને માત્ર એક ચોક્કસ પ્રકારના ન્યુરોન્સ પસંદ કરવા હોય અને પછી પ્રકાશની મદદથી તેમને પોતાની મરજી મુજબ ચાલુ કે બંધ કરવા હોય! એવું લાગે કે જાણે મગજની અંદર જ એક નાનકડું ઈલેક્ટ્રીક સ્વિચબોર્ડ લગાવી દીધું હોય. આ અદ્ભુત ટેક્નોલોજીને કહેવામાં આવે છે ઓપ્ટોજેનેટિક્સ. ૨૦૨૬નો નોબેલ પુરસ્કાર કાર્લ ડેસરોથ, પીટર હેગમેન અને ગેયોર્ગ નાગેલને એવી શોધો માટે આપવામાં આવ્યો છે, જેના કારણે વિજ્ઞાનીઓ જીવંત મગજમાં ચોક્કસ ન્યુરોન્સ અને ન્યુરલ સર્કિટને પ્રકાશની મદદથી ચાલુ કે બંધ કરી શકે છે.

મગજ માનવ શરીરનું કદાચ સૌથી મોટું રહસ્ય છે. લગભગ ૧.૩ કિલોગ્રામનું આ અંગ યાદશક્તિ, વિચારો, લાગણીઓ, ભય, આનંદ, ઊંઘ, ભૂખ અને આપણા વર્તનને કેવી રીતે નિયંત્રિત કરે છે? બાળપણની કોઈ જૂની યાદ અચાનક દાયકાઓ પછી કેવી રીતે પાછી આવી જાય છે? કોઈ વ્યક્તિને જોઈને આપણને આનંદ કેમ થાય છે? કોઈ ઘટનાથી ડર કેમ લાગે છે? ઊંઘ આવે છે ત્યારે મગજમાં એવું તે શું થાય છે કે આપણે કલાકો સુધી બહારની દુનિયાથી લગભગ કપાઈ જઈએ છીએ? આવા પ્રશ્નોના જવાબ શોધવા માટે વિજ્ઞાનીઓ વર્ષોથી મગજનો અભ્યાસ કરતા આવ્યા છે.

વીસમી સદીમાં વિજ્ઞાનીઓએ મગજના જુદા જુદા ભાગો કયા કામ સાથે જોડાયેલા છે તેની ઘણી મહત્ત્વની માહિતી મેળવી. પરંતુ એક મોટી મુશ્કેલી હતી. મગજમાં ન્યુરોન્સની સંખ્યા અતિ વિશાળ છે અને એકબીજા સાથે તેમની જોડાણોની જાળ અત્યંત જટિલ છે. એવું સમજજો કે આખું શહેર તમારી સામે છે અને તમને ખબર છે કે શહેરના જુદા જુદા વિસ્તારોમાં હોસ્પિટલ, શાળા, બજાર અને પોલીસ સ્ટેશન ક્યાં છે. પરંતુ હવે તમને એ જાણવું છે કે કોઈ ચોક્કસ ઘરમાં ખરેખર શું ચાલી રહ્યું છે. તો હવે શું કરશો? અહીંથી શરૂ થાય છે એક અદ્ભુત વૈજ્ઞાનિક સફર.

શરૂઆત થઈ એક નાનકડી શેવાળથી. ૧૯૯૦ના દાયકાની શરૂઆતમાં જર્મન વિજ્ઞાની પીટર હેગમેનને એક નાનકડા એકકોષીય સજીવ વિશે રસ પડ્યો. તેનું નામ હતું Chlamydomonas. આ લીલી શેવાળ જેવી દેખાતી નાનકડી જીવસૃષ્ટિ પ્રકાશ તરફ ગતિ કરી શકતી હતી. પ્રકાશ એક બાજુથી પાડો તો તે તેની તરફ તરવા લાગે. સવાલ બહુ સાદો હતો પણ આટલો નાનો જીવ પ્રકાશને ઓળખે છે કેવી રીતે? હેગમેને તેના પર સંશોધન શરૂ કર્યું. તેમને જાણવા મળ્યું કે પ્રકાશ પડ્યા પછી આ જીવમાં ખૂબ જ ઝડપથી વિદ્યુત સંકેત ઉત્પન્ન થાય છે. એટલો ઝડપથી કે માનવ આંખમાં પ્રકાશથી વિદ્યુત સંકેત બનવાની પ્રક્રિયા કરતાં પણ આ પ્રક્રિયા ઘણી ઝડપી હતી. હેગમેનને વિચાર આવ્યો કે કદાચ આ શેવાળમાં એવું કોઈ ખાસ પ્રોટીન હશે જે પ્રકાશને સીધો વિદ્યુત સંકેતમાં ફેરવી શકે. પરંતુ એવું પ્રોટીન શોધવું સહેલું નહોતું.

વર્ષોનાં સંશોધન પછી તેમને બે એવા જીન મળ્યા જે પ્રકાશ સંવેદનશીલ પ્રોટીન માટે જવાબદાર હોઈ શકે. હવે આ જીનને તપાસવા માટે ગેયોર્ગ નાગેલની મદદ લેવામાં આવી. નાગેલે આ જીન દેડકાના ઈંડામાં દાખલ કર્યા. અને અહીં વિજ્ઞાનની એક અદ્ભુત ક્ષણ આવી. દેડકાના ઈંડાના કોષોમાં આ જીનના કારણે એવા પ્રોટીન બનવા લાગ્યા જે પ્રકાશ પડતાં ખુલી જતા હતા. આ પ્રોટીન આયન ચેનલ તરીકે કામ કરતા હતા. તેમને નામ આપવામાં આવ્યું – ચેનલરોડોપ્સિન.

સરળ ભાષામાં કહીએ તો ચેનલરોડોપ્સિન એક પ્રકારનો પ્રકાશથી ખૂલતો દરવાજો છે. કોષની બહાર અને અંદર આયન હોય છે. આ ચેનલ ખુલતાં આયન પસાર થાય છે અને તેના કારણે કોષમાં વિદ્યુત સંકેત પેદા થાય છે. હવે વિચાર કરો કે જો આવો પ્રકાશથી ખૂલતો દરવાજો મગજના ન્યુરોનમાં લગાવી શકાય તો? ત્યારે પ્રકાશના ઝબકારા વડે ન્યુરોનને સક્રિય કરી શકાય! અને અહીંથી શરૂ થઈ મગજના અભ્યાસની નવી ક્રાંતિ.હવે આવ્યું મગજ અમેરિકન વિજ્ઞાની કાર્લ ડેસરોથે આ શોધની શક્તિ સમજી. તેમણે ગેયોર્ગ નાગેલ પાસેથી ચેનલરોડોપ્સિન માટે જવાબદાર DNA મેળવ્યું અને તેને ન્યુરોન્સમાં દાખલ કરવાનો પ્રયોગ શરૂ કર્યો. પ્રયોગ સફળ થયો.
ડેસરોથની ટીમે ઉંદરના ન્યુરોન્સમાં ચેનલરોડોપ્સિન બનાવડાવ્યા. ત્યારબાદ જ્યારે આ ન્યુરોન્સ પર ચોક્કસ પ્રકાશ પાડવામાં આવ્યો ત્યારે ન્યુરોન્સ તરત જ સક્રિય થઈ ગયા અને નર્વ સિગ્નલ પેદા થયો. આ વાત નાની લાગતી હોય તો એક ક્ષણ રોકાઈને વિચારજો. મગજમાં અબજો ન્યુરોન્સ છે. તેમાંથી કોઈ એક ચોક્કસ પ્રકારના ન્યુરોન્સને પસંદ કરો અને કહો કે “હવે ચાલુ થાઓ.” અને પછી પ્રકાશ આપો. ન્યુરોન સક્રિય! પ્રકાશ બંધ કરો તો તેની પ્રવૃત્તિ રોકી શકાય. આ જ છે ઓપ્ટોજેનેટિક્સ. પ્રકાશ અને જિનેટિક્સનો સંયુક્ત ઉપયોગ કરીને ચોક્કસ ન્યુરોન્સની પ્રવૃત્તિને નિયંત્રિત કરવાની પદ્ધતિ.

૨૦૦૬માં આ નવી પદ્ધતિને “ઓપ્ટોજેનેટિક્સ” નામ મળ્યું અને ૨૦૦૭માં ડેસરોથની ટીમે જીવંત ઉંદરના મગજમાં તેનો ઉપયોગ કરીને મોટર કોર્ટેક્સના ચોક્કસ ન્યુરોન્સને પ્રકાશથી સક્રિય કર્યા. પરિણામે ઉંદરના મૂછોના હલનચલનને નિયંત્રિત કરી શકાયું. પરંતુ વાત અહીં અટકી નહીં. વિજ્ઞાનીઓએ ઊંઘ સાથે જોડાયેલા ન્યુરોન્સમાં આ ટેક્નોલોજીનો ઉપયોગ કર્યો. ચોક્કસ ન્યુરોન્સ પર પ્રકાશ પાડતાં સૂતો ઉંદર જાગી ગયો. એટલે વિજ્ઞાનીઓને એ સમજવામાં મદદ મળી કે જાગૃત રહેવાની પ્રક્રિયામાં કયા ન્યુરોન્સની ભૂમિકા છે.

પછી આવ્યો કદાચ સૌથી રોમાંચક યાદશક્તિનો પ્રયોગ. શું પ્રકાશથી યાદશક્તિ પાછી લાવી શકાય? ૨૦૧૨માં કાર્લ ડેસરોથે સુસુમુ ટોનેગાવા સાથે મળીને ઉંદરની યાદશક્તિનો અભ્યાસ કર્યો. ઉંદરને ભયનો અનુભવ કરાવતી ઘટના દરમિયાન વિજ્ઞાનીઓએ એવા ન્યુરોન્સ ઓળખ્યા જે તે યાદ સાથે જોડાયેલા હતા. પછીથી જ્યારે એ જ ન્યુરોન્સને ઓપ્ટોજેનેટિક્સની મદદથી ફરી સક્રિય કરવામાં આવ્યા ત્યારે ઉંદરે ફરી ભયની પ્રતિક્રિયા દર્શાવી. જ્યારે તે સમયે તેની સામે વાસ્તવિક જોખમ હતું જ નહીં. આ પ્રયોગે પહેલી વખત વિજ્ઞાનીઓને એ બતાવવાની શક્તિ આપી કે ચોક્કસ યાદ સાથે જોડાયેલા કયા ન્યુરોન્સ જરૂરી છે. અર્થાત્ હવે મગજને માત્ર બહારથી જોઈને અનુમાન કરવાનું નહોતું. હવે ચોક્કસ ન્યુરોનને સક્રિય કરીને જોઈ શકાતું હતું કે “આ ન્યુરોન સક્રિય કરું તો શું થાય?” આ જ ઓપ્ટોજેનેટિક્સની સૌથી મોટી ક્રાંતિ છે. આ ટેક્નોલોજીની મદદથી પીડા, સામાજિક વર્તન, તરસ, ખોરાકનું સેવન, રિવોર્ડ, ધ્યાન અને શરીરની દૈનિક જૈવિક ઘડિયાળ જેવી અનેક પ્રક્રિયાઓ સાથે જોડાયેલા ચોક્કસ ન્યુરલ સર્કિટનો અભ્યાસ થઈ રહ્યો છે.

આને ફરી એક સરળ ઉદાહરણથી સમજીએ. ધારો કે આખું અમદાવાદ એક મોટું મગજ છે. જૂની પદ્ધતિમાં તમે અમદાવાદના કયા વિસ્તારમાં ટ્રાફિક વધારે છે તે જોઈ શકો. પરંતુ જો તમને જાણવું હોય કે કોઈ ચોક્કસ ગલીમાં કયા મકાનમાંથી ટ્રાફિકની સમસ્યા શરૂ થાય છે, તો મુશ્કેલી પડે. ઓપ્ટોજેનેટિક્સ જાણે આખા શહેરમાં તમને એક ખાસ ઘરની ચાવી આપે છે. તમે આખું શહેર બંધ નથી કરતા. તમે આખા મગજને અંધારામાં નથી નાખતા. તમે માત્ર ચોક્કસ ન્યુરોન અથવા ચોક્કસ ન્યુરલ સર્કિટ પસંદ કરો છો અને પ્રકાશથી તેને સક્રિય કરો છો. પછી જુઓ કે મગજ અને શરીરમાં શું બદલાય છે? આથી મગજના વાયરિંગને સમજવાની પ્રક્રિયા અત્યંત ચોક્કસ બની ગઈ છે. હવે આશા સારવારની‌. આ ટેક્નોલોજી હજી મુખ્યત્વે સંશોધનનું શક્તિશાળી સાધન છે, પરંતુ તેના આધારે ભવિષ્યની સારવાર માટે પણ આશા ઊભી થઈ છે.

ડિપ્રેશન, એન્ઝાયટી, સ્કિઝોફ્રેનિયા, અલ્ઝાઈમર અને પાર્કિન્સન જેવી ન્યુરોલોજિકલ અને માનસિક બીમારીઓને સમજવામાં ઓપ્ટોજેનેટિક્સે મહત્ત્વપૂર્ણ માહિતી આપી છે. આ ઉપરાંત અંધત્વ દૂર કરવાની દિશામાં પણ પ્રાથમિક ક્લિનિકલ પ્રયાસો થયા છે. રેટિનાઇટિસ પિગમેન્ટોસા જેવી બીમારીમાં આંખના પ્રકાશ સંવેદનશીલ કોષો નષ્ટ થઈ જાય છે. સંશોધકોએ ચેનલરોડોપ્સિન જેવી પ્રોટીનનો ઉપયોગ કરીને પ્રકાશ પ્રત્યે સંવેદનશીલતા પાછી લાવવાના પ્રયાસો કર્યા છે. ખાસ પ્રકાશ આપતા ચશ્માની મદદથી દર્દીએ વસ્તુઓ ઓળખી અને પકડી શકવાની ક્ષમતા દર્શાવી છે.

કદાચ ભવિષ્યમાં મગજના વાયરિંગમાં આવેલી કેટલીક ખામીઓને સમજવા અને ચોક્કસ રીતે સુધારવા માટે પણ આ ટેક્નોલોજી ઉપયોગી બનશે. આ શોધ આપણને મગજને સમજવા માટે વિજ્ઞાનીઓના હાથમાં હવે એક અદ્ભુત “પ્રકાશની સ્વિચ” સાધન આવી ગયું છે. કદાચ આવનારા વર્ષોમાં આપણે યાદશક્તિ, ઊંઘ, ભય, આનંદ, વ્યસન અને અનેક માનસિક-ન્યુરોલોજિકલ રોગોને વધુ સારી રીતે સમજી શકીશું.અને કદાચ એક દિવસ આપણે મગજની વાયરિંગને એટલી જ ચોકસાઈથી સમજતા થઈશું જેટલી ચોકસાઈથી આજે આપણે કમ્પ્યૂટરની સર્કિટ સમજીએ છીએ..આ જ છે ઓપ્ટોજેનેટિક્સની સૌથી અદ્ભુત વાત.
*****