ऑप्टोजेनेटिक्स – मेंदूविज्ञानात क्रांती घडवून आणणारा शोध

काल कार्ल डीसेरॉथ आणि पीटर हेगमन यांना नोबेल पारितोषिक मिळाल्याची बातमी आली. त्यांचे संशोधन इतके महत्त्वाचे होते की त्यांना आज ना उद्या नोबेल मिळणार हे नक्कीच होते. २०२४ साली प्रसिद्ध झालेल्या, डॉ. आनंद जोशी व सुबोध जावडेकर यांनी लिहिलेल्या, ‘आपले वर्तन <-> आपला मेंदू’ (राजहंस प्रकाशन) या पुस्तकात त्यांनी तसे भाकीत केलेच होते.
 

आज ते भाकीत खरे ठरले याचा आनंद होत आहे.

त्यांच्या संशोधनाबद्दल ज्यांना कुतूहल आहे त्यांच्यासाठी या पुस्तकातील ‘ऑप्टोजनेटिक्स – मेंदूविज्ञानात क्रांती घडवून आणणारा शोध’ हे प्रकरण इथे लेखकांच्या सहकार्याने आणि राजहंस प्रकाशनाच्या परवानगीसह देत आहोत.

गावाकडे सहलीला गेलो होतो. पठारावर फुले फुलली होती. त्यावर इवलिशी, पिवळी, गिरक्या घेणारी फुलपाखरे बागडत होती. जणू अरुण कोलटकरांच्या काव्यपंक्ती सजीव होऊन बागडत होत्या.

'हळदुली चिमूट

वारेमाप भंडारा

तुझा येळकोट असो'

कोवळी उन्हे हळूच पसरत होती. मध्येच मळभ येऊन छाया-प्रकाशाचा खेळ रंगत होता आमच्या सगळ्यांचे लक्ष 'हळदुल्यां'कडे पण आमच्यातील एका मेंदू-वेड्याचे लक्ष मात्र प्रकाशाच्या खेळाकडे होते. तो म्हणाला, "अरे, या प्रकाशानं मेंदूविज्ञानात धमाल उडवून दिली आहे. किती तरी मेंदूवैज्ञानिकांना या प्रकाशानं वेड लावलंय. हे प्रकाशावर चालणारं ऑप्टोजनेटिक्स तंत्र-विज्ञान जग बदलून टाकणार आहे, यात शंका नाही." झाले. मग सगळी सकाळ ऑप्टोजनेटिक्सच्या चर्चेत गेली.
 

खरोखरच ऑप्टोजनेटिक्स हे तंत्रज्ञान मेंदू विज्ञानाच्या क्षेत्रात क्रांती करेल अशी चिन्हे दिसत आहेत. यात प्रकाशाचा वापर करून मेंदूचे काम कसे चालते याचा उलगडा केला जातो. एका परीने मेंदूच्या कार्यावर खऱ्या अर्थाने प्रकाश टाकणारे हे तंत्र-विज्ञान आहे, असे म्हणावे लागेल.
 

या तंत्रात प्रकाशिकीय (ऑप्टिकल) तंत्र आणि जनुकविज्ञान यांचा एकत्रित उपयोग करून घेतला जातो. विशिष्ट मेंदू पेशींकडे संदेश पाठवून त्यांना सक्रीय केले जाते; कामाला लावले जाते. या अभिनव तंत्रामुळे मेंदूपेशींची मंडले (न्युरॉनल सर्किट्स) अचूकपणे नियंत्रित करणे मेंदूवैज्ञानिकांना जमू लागले आहे. मेंदूत काय चालले आहे ते यात 'रिअल टाइम'मध्ये, म्हणजे त्याच वेळी, प्रत्यक्ष दिसते. म्हणजे असे की, जेव्हा तुम्ही एक्स-रे काढून घेता तेव्हा शरीरात काय बिघाड आहे त्याचा फोटो काढला जातो आणि डॉक्टर तो नंतर बघतात. पण जेव्हा तुम्ही सोनोग्राफी करून घेत असता तेव्हा शरीरातला बिघाड डॉक्टरांना प्रत्यक्ष आणि तात्काळ समोर दिसत असतो. अगदी त्याचप्रमाणे ऑप्टोजनेटिक्समुळे मेंदूत काय चालले आहे ते, सोनोग्राफीत शरीरात काय चालले आहे ते जसे दिसते तसे, प्रत्यक्ष आणि तात्काळ समोर दिसते.

हे तंत्रज्ञान कसे विकसित होत गेले ते पाहणे फार इंटरेस्टिंग आहे. मूलभूत विज्ञानातील संशोधन हे कोणताही व्यावहारिक उपयोग मनात ठेवून केलेले नसते. जेव्हा संशोधन सुरू केले जाते तेव्हा त्याचा उपयोग पुढे कसा होईल याची कणमात्र कल्पना त्या संशोधकाला नसते. पण असे मूलभूत संशोधन पुढे किती प्रचंड उपयोगी ठरू शकते याचे ऑप्टोजनेटिक्स हे एक जितेजागते उदाहरण आहे.
 

ऑप्टोजनेटिक्समुळे केवळ मेंदूपेशींचे कार्य कसे चालते याचा उलगडा होणार नसून मेंदूविज्ञानातील संकल्पनांतच अमूलाग्र बदल होऊ घातला आहे.
 

जांभळा जिवाणू
 

१९७१ साली मॅक्स प्लँक इन्स्टिट्यूटमधे डीटर ओस्टरहेल्ट (Dieter Oesterhelt) हे जीवशास्त्रज्ञ एका जांभळ्या रंगाच्या, दंडगोलाकृती आकाराच्या, एकपेशीय जिवाणूचा शोध घेत होते. त्यांना प्रश्न पडला होता हा जिवाणू जांभळ्या रंगाचा कसा काय? याचा शोध घेताना काही विलक्षण गोष्टी उजेडात आल्या. या जिवाणूच्या पेशीच्या आवरणात (membrane) एक प्रथिन होते. त्याचा रंग जांभळा होता. त्यामुळे जिवाणू जांभळा झाला होता. त्या प्रथिनाचे नाव होते रेटिनल. ज्या दिवशी त्या प्रथिनाचा शोध त्यांना लागला त्या दिवशी प्रयोगशाळेतून काम आटोपून घरी यायला रात्रीचे दोन वाजले होते. आल्याआल्या ते त्यांच्या पत्नीला म्हणाले, "आज मला जो शोध लागला आहे त्यामुळे मेंदू विज्ञानात क्रांती होणार आहे." त्यांचे ते शब्द आज खरे ठरत आहेत.

रेटिनल हे प्रथिन प्रगत प्राण्यांच्या दृष्टीपटलातील 'व्हिज्युअल ऱ्होडाप्सिन' या प्रथिनाशी मिळतेजुळते आहे, असे त्यांना आढळून आले होते. त्यावरून ओस्टरहेल्ट यांनी अंदाज बांधला की ते एक प्रकारचे फोटोरिसेप्टर असावे. फोटोरिसेप्टर म्हणजे सजीवांमधील पेशींतील प्रकाशाला प्रतिसाद देणारा भाग. रिसेप्टर हा शब्द रिसीव्ह या शब्दापासून तयार झाला आहे. लग्नसमारंभाच्या रिसेप्शनला येणाऱ्या लोकाना रिसीव्ह करायला, त्यांचे स्वागत करायला माणसे उभी असतात. तसेच फोटोरिसेप्टर म्हणजे प्रकाशाला रिसीव्ह करण्यासाठी, स्वीकारण्यासाठी, तयार असणारा पेशीचा भाग. ओस्टरहेल्ट यांनी रेटिनलला बॅक्टेरिओऱ्होडॉप्सिन असे नाव ठेवले.

त्यानंतर डीटर ओस्टरहेल्ट यांनी आणखी एक प्रयोग केला. या जांभळ्या जिवाणू असलेल्या द्रावणावर त्यांनी प्रकाशाचा झोत टाकला आणि काय आश्चर्य! ते जांभळे जिवाणू हिंडूफिरू लागले, कोलांट्या मारू लागले. याचा अर्थ हा एकपेशीय जिवाणू बघू शकत होता. त्याचे हे नर्तन म्हणजे प्रकाशकीय वर्तन (ऑप्टिकल बिहेवियर) होते. प्रकाश पडल्याबरोबर हे जांभळे जिवाणू सजग होत होते, म्हणून तर द्रावणभर हालचाल सुरू झाली होती. हा शोध त्यांनी इतर वैज्ञानिकांना सांगितला पण त्याकडे कोणी लक्ष दिले नाही. खरे तर हा अत्यंत महत्त्वपूर्ण शोध होता. आजच्या भाषेत सांगायचे म्हणजे विज्ञानातील 'ब्रेकिंग न्यूज' होती.

शेवाळ्याचा एक डोळा

पिटर हेगमन (Peter Hegemann) हे डीटर यांचे पोस्ट-डॉक्टोरल विद्यार्थी. ते हॅलोऱ्होडॉप्सिन या फोटोरिसेप्टरचा शोध घेत होते. नेचर या जगद्विख्यात नियतकालिकामधे आलेला केन फॉस्टर (Ken Foster) यांचा एक शोधनिबंध त्यांच्या वाचनात आला. तो Chlamydomonas या नावाच्या शेवाळ्यावरच्या (एक प्रकारची अल्गी) संशोधनावर आधारित होता. या प्रकारच्या शेवाळ्याच्या एकपेशीय जीवाला डोळ्याचा एक रंगीत ठिपका असतो. आणि माशाला जसे फिन्स असतात तशा दोन छोट्या शेपट्याही असतात. डोळ्याच्या या बिंदूवर प्रकाश पडला म्हणजे त्या दोन शेपट्यांची हालचाल सुरू होते, असे या शोधनिबंधात फॉस्टर यांनी नमूद केले होते. याच शेवाळ्याचा एक 'अंध' एकपेशीय जीवही फॉस्टर यांना सापडला होता. जनुकीय उत्परिवर्तनाने (mutation), म्हणजे जनुकात काही दोष निर्माण होऊन, हा जीव निर्माण झाला होता. जनुकीय दोषामुळे जसे काही माणसाना अंधत्व येते तसे या एकपेशीय शेवाळ्यालाही आले होते. त्यानंतर फॉस्टर यानी एक महत्त्वाचे पाऊल टाकले. त्यानी बॅक्टेरिओऱ्होडॉप्सिन त्या अंध शेवाळ्याच्या एकपेशीय जीवात घालून त्याचे अंधत्व दूर केले. हा शोधनिबंध वाचून हेगमन खूप प्रभावित झाले. त्यांनी तत्काळ केन फॉस्टर यांच्या न्यूयॉर्क येथील प्रयोगशाळेत जाण्याचा निर्णय घेतला आणि तो लगेचच अमलातही आणला. तेथे फॉस्टर यांच्याबरोबर त्यानी वर्षभर संशोधन केले.

प्रकाश-विद्युत धारा

संशोधन आटोपून हेगमन म्युनिक येथील त्यांच्या मॅक्स प्लँक इन्स्टिट्यूटला परतले. तेथे त्यांनी त्याच शेवाळ्याच्या एकपेशीय जीवातील ऱ्होडॉप्सिन शुद्ध स्वरुपात मिळवण्याचे संशोधन सुरू केले. साधारणपणे एका वर्षात हे संशोधन पुरे होईल असे त्याना वाटले होते. पण प्रत्यक्षात ते साध्य व्हायला १५ वर्षे लागली. ऱ्होडॉप्सिन हे एक प्रकारचे प्रथिन आहे. त्याचे 'चॅनेलऱ्होडॉप्सिन-१' आणि 'चॅनेलऱ्होडॉप्सिन-२' असे दोन प्रकार असतात. याचा शोध २००२ व २००३मध्ये लागला होता. या चॅनेलऱ्होडॉप्सिनमुळे निर्माण होणाऱ्या प्रकाश विद्युतधारा (फोटोकरन्ट्स) खूपच गतीमान आहेत असे त्यांना आढळून आले. हेच फोटोकरन्ट्स त्या एकपेशीय जीवाच्या दोन शेपट्यांना गती देत होते, हा महत्त्वाचा निष्कर्ष या संशोधनातून निघत होता.

सुमारे २५० वर्षांपूर्वीच लुईजी गाल्व्हानी (Luigi Galvani) या इटालियन शास्त्रज्ञाने मेंदूपेशी (नर्व्ह सेल्स) विद्युतप्रवाह वाहून नेतात हा मूलगामी शोध लावला होता. मेलेल्या बेडकाच्या पायाला विजेचा झटका दिला तर त्याचा पाय आपोआप आखडला जातो; हे पाहून त्याच्या हे लक्षात आले होते. तेव्हापासूनच मेंदूविज्ञान या विद्युतधारांचा विविध अंगाने शोध घेत आहे आणि आज या स्थितीला मेंदूविज्ञान पोचले आहे. [अडीचशे वर्षांपूर्वी महाराष्ट्रात काय चालू होते? ते डोळ्यासमोर आणा. तेव्हा पेशवाई उताराला लागली होती आणि भाऊबंदकी जोरात चालू होती!]
 

ऱ्होडॉप्सिन हे प्रथिन पेशीमध्ये प्रकाशसंवेदी (फोटोसेन्सिटिव्ह) चॅनेलसारखे काम करते. चॅनेल म्हणजे मार्गिका किंवा वाहिनी. या वाहिन्या म्हणजे पेशीच्या भिंतीतील छिद्रे नव्हेत, तर त्या प्रथिनाच्या बनलेल्या साखळ्या असतात. प्रथिनाची ही साखळी घड्याघड्यांची बनलेली असते. त्यातून आयन (ion) म्हणजे विद्युतभारीत कण प्रवास करतात आणि पेशीमध्ये विद्युतभार निर्माण होतो. पाठोपाठ ऱ्होडॉप्सिन बनवणाऱ्या जनुकांचा शोधही लागला. आता हे जनुक सस्तन प्राण्यांच्या पेशीत टोचून तेथे प्रकाशसंवेदी चॅनेल तयार करता येतात, हे दिसून आले. यामुळे अनेक मेंदूतज्ज्ञ या शोधाकडे ओढले गेले. या प्रकाशसंवेदी चॅनेलचा उपयोग मेंदू पेशीवरील संशोधनासाठी कार्ल डीसेरॉथ (Karl Deisseroth) यांनी २००५ साली प्रथम केला.

मेंदूपेशींची मंडले

कार्ल डीसेरॉथ हे मेंदूतज्ज्ञ तर आहेतच पण मनोविकारतज्ज्ञही आहेत. अमेरिकेतील स्टॅनफर्ड विद्यापिठात ते प्राध्यापक आहेत. डीसेरॉथ यांनी या संशोधनाला सुरुवात केली आणि पहिल्या काही प्रयोगांनंतर त्यांनी पिटर हेगमन यांच्याशी संपर्क साधला. थोड्याच काळात दोघांची गट्टी जमली. दोघांत बऱ्याच कल्पनांची देवाणघेवाण झाली. त्यामुळे डीसेरॉथ यांच्या संशोधनाला दिशा मिळाली. डीसेरॉथ यांनी विविध रंगांच्या प्रकाशाने सक्रीय होणारे चॅनेल ऱ्होडॉप्सिन तयार करण्याचे ठरविले. त्यांनी पेशींना सक्रीय करणारे गतीमान चॅनेल ऱ्होडॉप्सिनतर तयार केलेच पण त्याच बरोबर पेशींना अटकाव करणारे, धीम्या गतीचे चॅनेल ऱ्होडॉप्सिनही तयार केले. सुरुवातीचे प्रयोग पेट्रीडिशमध्ये झाले. त्यावेळी मेंदूवैज्ञानिक या प्रयोगांबाबत साशंक होते. पण डायसेरॉथ यांनी पुढचे प्रयोग उंदराच्या मेंदूवर केले. विषाणूमार्फत त्यांनी चॅनेल ऱ्होडॉप्सिनचे जनुक उंदरांच्या मेंदूत टोचले. ऑप्टिक फायबर वापरून प्रकाशाचा सूक्ष्म झोत उंदराच्या कॉर्टेक्सवर सोडला. त्यामुळे विशिष्ट पेशी मंडले सक्रीय होऊन उंदराच्या वर्तनात बदल झालेला दिसला.

त्यानंतरचे प्रयोग त्यांनी झेब्राफिशवर केले. झेब्रा मासा हा पारदर्शक मासा आहे. त्यात वापरलेले चॅनेल ऱ्होडॉप्सिन जीवदीप्त (bioilluminant) होते. त्यामुळे त्याच्या मेंदूवरचे ऑप्टोजनेटिक्सचे परिणाम प्रत्यक्ष दिसू शकत होते. झेब्रामाशाच्या मेंदूतील प्रत्येक (every single) मेंदू पेशीपर्यंत पोचणे आता संशोधकाना शक्य झाले होते.
 

जीवनसंघर्षात तगून रहाण्याची सजीवाची इच्छा आणि त्यामागच्या प्रेरणा, या ज्या वर्तनव्यवस्था आहेत त्याचा वेध हा डीसेरॉथ यांच्या संशोधनाचा मूळ विषय आहे. हा वेध ऑप्टोजेनेटिक्सच्या माध्यमातून घेतला जात आहे. तहान, भीती, चिंता, इतर सजीवांशी संवाद, यांची मेंदू पेशीमंडले प्रत्यक्ष शोधणे ऑप्टोजेनेटिक्समुळे शक्य झाले आहे. अशा प्रसंगात सजीवाचे जे वर्तन घडते त्या वेळी मेंदूत काय होते त्याचा वेध त्यामुळे घेता येतो. इतकेच नव्हे तर त्यामागचा कार्यकारणभावाचा उलगडाही करता येतो. हे पाहून डीसेरॉथ स्वत:च थक्क झाले. एवढेच नाही तर ऑप्टोजेनेटिक्सने आपल्याला हवी ती मेंदू पेशींची मंडले सक्रीय करता येतात आणि नको असलेल्या पेशीमंडलांचे काम थांबवता येते. यामुळे कठपुतलीच्या खेळात बाहुल्या नाचवाव्यात तसे प्राण्याचे वर्तन नियंत्रित करता येते, हेही त्यांनी दाखवून दिले.
 

या तंत्र-विज्ञानामुळे प्राण्याच्या वर्तनाचा मेंदूतील 'ऑन ऑफ स्विच'च जणू संशोधकांच्या हातात आला होता.

आशेचा किरण

पण डीसेरॉथ एवढ्यावर समाधानी नव्हते. मूलभूत विज्ञानात सुरू झालेल्या या संशोधनाचा उपयोग रुग्णांसाठीही व्हावा अशी त्यांच्यातल्या मेंदूतज्ज्ञाची इच्छा होती. आज प्रायोगिक स्तरावर त्याला यश येऊ लागले आहे. दृष्टीपटलाच्या ऱ्हसनामुळे (degeneration) दृष्टी गेलेल्या एका रुग्णाला ऑप्टोजेनेटिक्सच्या प्रयोगानी काही प्रमाणात दृष्टी परत मिळवून देण्यात डॉक्टरांना यश आले आहे. एपिलेप्सी, म्हणजे आकडी येण्याचा विकार असलेल्या काही रुग्णांवर या तंत्राने केलेल्या उपचारांमुळे आकडीवर नियंत्रण मिळवणेही शक्य झाले आहे.

डीसेरॉथ आणि हेगमन आता अधिक संवेदनशील ऑप्टोजेनेटीक्सची उपकरणे तयार करत आहेत. या उपकरणात इन्फ्रारेड प्रकाश वापरून मेंदूत खोलवर शिरण्याचा प्रयत्न चालू आहे. मेंदूत चेतापेशींशिवाय इतरही पेशी असतात. ऑप्टोजनेटिक्स त्याचाही वेध घेत आहे.
 

डीसेरॉथ, हेगमन आणि ओस्टरहेल्ट या तिघांना २०२१ सालचे जगभरातील अत्यंत प्रतिष्ठेचे अल्बर्ट लास्कर बेसिक मेडिकल रिसर्च अवॉर्ड' देण्यात आले. हे पारितोषिक मिळालेल्यांना पुढे नोबेल मिळण्याची दाट शक्यता असते, असा इतिहास आहे. त्यामुळे आज ना उद्या त्यांना नोबेलही मिळेल, इतके त्यांचे संशोधन महत्त्वाचे आहे.
 

'कोणतीही दिशा वा हेतू मनात न ठेवता केलेल्या मूलभूत संशोधनाचा उपयोग पुढे रुग्णांना कसा होऊ शकतो याचे हे एक चालतेबोलते उदाहरण आहे. पन्नास वर्षांपूर्वी जेव्हा ओस्टरहेल्ट यांनी जिवाणूमधील बॅक्टेरीओऱ्होडॉप्सिनचा शोध लावला, त्यावेळी मानवी मेंदूच्या विकृतींचा विचार त्यांच्या मनात नव्हता. पण आज त्या शोधाने ऑप्टोजनेटिक्स या तंत्र-विज्ञानाचा उपयोजित दिशेने विकास झाला', असे विचार कार्ल डीसेरॉथ यानी हा पुरस्कार मिळाल्या नंतर केलेल्या भाषणात मांडले.
 

आपला मेंदू आणि आपले वर्तन यावर ऑप्टोजनेटिक्स खऱ्या अर्थाने प्रकाश टाकणार आहे, ही काळ्या दगडावरची रेघ आहे.

--
(चित्रे इथून.)