আলো দিয়ে স্নায়ু নিয়ন্ত্রণ প্রযুক্তি অপটোজেনেটিকসে চিকিৎসাবিজ্ঞানের নোবেল
২০২৬ সালে চিকিৎসাবিজ্ঞান ও শারীরতত্ত্বে নোবেল পেয়েছেন যুক্তরাষ্ট্রের বিজ্ঞানী কার্ল ডাইসারোথ এবং জার্মানির পিটার হেগেম্যান ও গেওর্গ নাগেল। তাঁরা কাজ করেছেন অপটোজেনেটিকস, অর্থাৎ জীবিত কোষের জিনে পরিবর্তন এনে আলোর সাহায্যে সেই কোষকে নিয়ন্ত্রণ করা নিয়ে।
পিটার হেগেম্যান ও গেওর্গ নাগেল এককোষী শৈবাল ক্ল্যামাইডোমোনাস-এ চ্যানেলরডোপসিন প্রোটিন আবিষ্কার করেছেন। কার্ল ডাইসারোথ এই প্রোটিনকে ব্যবহার করেছেন স্নায়ুকোষের সুইচ হিসেবে, যে সুইচ অন-অফ হয় আলোর সাহায্যে। এই সুইচ ব্যবহার করে মস্তিষ্কের বিভিন্ন অংশের কাজ নিয়ে গবেষণা করা হয়েছে আগের চেয়ে সহজ ও সূক্ষ্ম।
আদিম কাল থেকেই বিজ্ঞানীরা মস্তিষ্ক কীভাবে কাজ করেন তা নিয়ে ভেবেছেন। দেড় কেজির চেয়েও কম ওজনের মস্তিষ্ক কীভাবে স্মৃতি ধরে রাখে, স্বপ্ন দেখে, হাসি কান্নার অনুভূতি তৈরি করে, শ্বাসপ্রশ্বাস, হৃৎপিণ্ডের কম্পন, ঘুম ও জেগে থাকা নিয়ন্ত্রণ করে, তা নিয়ে চিন্তাভাবনা ও কাজ করেছেন অনেকেই।
বিশ শতকে নিউরোসায়েন্স অনেকদূর এগিয়ে গেছে। স্কুইডের বিশাল স্নায়ুতে ইলেকট্রোড বসিয়ে প্রমাণ করা হয়েছিল স্নায়ুপ্রবাহ মূলত বিদ্যুৎ প্রবাহ। পরবর্তীতে মস্তিষ্কে ইলেকট্রোড বসিয়ে দেখানো গেছে, মস্তিষ্কের কোন অংশ মোটামুটি কী নিয়ন্ত্রণ করে। এছাড়া মস্তিষ্কের বিভিন্ন অংশের রোগের লক্ষণ দেখে ধারণা করা সম্ভব যে, মস্তিষ্কের কোন অংশের কাজ কী। কিন্তু এরকম পদ্ধতিগুলো মস্তিষ্কের জটিল জটিল কাজের খুঁটিনাটি বোঝার মতো যথেষ্ট সূক্ষ্ম নয়।
মস্তিষ্ক গবেষণার জন্য আরও সূক্ষ্ম উপায়ের কল্পনা করেছিলেন বিজ্ঞানী ফ্রান্সিস ক্রিক। জীবিত মস্তিষ্কের একেকটা নিউরন কিভাবে আলাদাভাবে নিয়ন্ত্রণ করা যায় তা নিয়ে চিন্তা করে ১৯৫৩ সালে তিনি এ সিদ্ধান্তে আসেন, নিউরন সূক্ষ্মভাবে নিয়ন্ত্রণের সবচেয়ে ভালো উপায় হচ্ছে আলো ব্যবহার করা। ক্রিক নিজেই স্বীকার করে নিয়েছিলেন, তখনকার প্রযুক্তি দিয়ে তা সম্ভব নয়, কিন্তু ভবিষ্যতে তা সম্ভব হতেই পারে।
আলোর সাহায্যে স্নায়ু কোষের নিয়ন্ত্রণে কাজ করেছেন অনেকেই। বিজ্ঞানী রিচার্ড ফর্ক লেজার লাইটের সাহায্যে আলোক সংবেদী অ্যাপ্লিশিয়া নিউরনকে উত্তেজিত করার চেষ্টা করেছেন। বিজ্ঞানী ইরা ফারবার ও গ্রিনভাল্ড চেষ্টা করেছিলেন জোঁকের নিউরনকে ফ্লুরোসেন্ট রঞ্জক দিয়ে রাঙিয়ে নিতে। কিন্তু এই চেষ্টা খুব ভালো ফলাফল আনতে পারেনি।
আরও নানারকম আলোক সংবেদী রিসেপ্টর নিয়ে অনেকে কাজ করেছেন। কিন্তু সব পদ্ধতি একটা সমস্যায় আটকে গেছে। আলোক সংবেদী রিসেপ্টর কাজ করতে বাইরে থেকে কোনো না কোনো রাসায়নিক পদার্থ যোগান দিতে হয়। আর এই রিসেপ্টরগুলো কাজ করতে একাধিক ধাপের প্রয়োজন। তাই পুরো প্রক্রিয়াটা হয়ে যায় অনেকখানি ধীরগতির এবং অত্যন্ত জটিল। তাই প্রয়োজন ছিল এমন কোনো পদ্ধতির, যাতে বাইরে থেকে কোনো বিশেষ রাসায়নিক পদার্থ যোগান দিতে হবে না, এবং পুরো প্রক্রিয়াটা হবে এক ধাপে, মিলিসেকেন্ডের মধ্যে।
এই সমস্যার সমাধানের শুরু ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক ইনস্টিটিউটে, পিটার হেগেম্যানের গবেষণার মাধ্যমে। প্রশ্নটা ছিল সহজ: এককোষী শৈবাল ক্ল্যামাইডোমোনাস কীভাবে এত দ্রুত আলোর প্রতি আকর্ষণ দেখায়।
ক্ল্যামাইডোমোনাস এককোষী সবুজ শৈবাল। পেট্রিডিশে এই শৈবাল দেখা যায় হালকা সবুজ। কিন্তু ডিশের একপাশে আলো ফেললে খুব দ্রুত ডিশের অন্য দিকটায় সব সবুজ শৈবাল চলে আসে। মাইক্রোস্কোপের তলায় দেখলে দেখা যায়, দুটো এন্টেনার পাশাপাশি প্রতিটা শৈবাল আছে ছোট্ট লালচে কমলা অংশ, যাকে বলা হয় আইস্পট।
হেগেম্যান দেখলেন, আলোর উপস্থিতিতে ক্ল্যামাইডোমোনাসের এই আইস্পট আধা মিলিসেকেন্ডের মধ্যে প্রতিক্রিয়া দেখায়। এই প্রতিক্রিয়া অন্যান্য আলোক সংবেদী প্রতিক্রিয়ার চেয়ে অনেক দ্রুত। মানুষের চোখের আলোকসংবেদী কোষে এ ধরনের বিক্রিয়া হতে সময় লাগে প্রায় ১০ মিলিসেকেন্ড; প্রায় বিশ গুণ।
নব্বইয়ের দশকে হেগেম্যান ভাবলেন, ক্ল্যামাইডোমোনাস এত দ্রুত আলোর প্রতি প্রতিক্রিয়া দেখাতে পারার অর্থ এই পুরো প্রক্রিয়াটা অনেক সহজ, অনেক কম ধাপেই সম্পন্ন হয়। তিনি ধারণা করলেন, এই পুরো প্রক্রিয়াটা ঘটে একটা প্রোটিনের মাধ্যমে। কিন্তু এই প্রোটিন আলাদা করা সহজ ছিল না। আইস্পট থেকে প্রোটিন আলাদা করতে গেলেই তা খুব সহজে নষ্ট হয়ে যায়।
জাপানি একদল বিজ্ঞানী ক্ল্যামাইডোমোনাসের হাজারো জিনের জেনেটিক কোড ম্যাপিং করেছিলেন।একুশ শতকের শুরুতে, হেগেম্যানের গবেষণা দল আবিষ্কার করলেন, এই হাজারো জিনের মধ্যে দুটির সঙ্গে অন্যান্য আলোকসংবেদি প্রোটিনের মিল আছে। তবে এগুলোই কি সেই প্রোটিন? এই প্রশ্নের উত্তর খুঁজতে হেগেম্যান যোগাযোগ করলেন ফ্রাঙ্কফুর্টে, ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক ইনস্টিটিউট ফর বায়োফিজিক্সের গেওর্গ নাগেলের সঙ্গে।
বিজ্ঞানী নেগেল এই দুই জিনকে প্রবেশ করলেন ব্যাঙের ডিম্বাণুতে। এই ডিম্বাণুগুলো তখন এই জিন থেকে প্রোটিন দুইটি তৈরি করতে শুরু করলো। এবার এই প্রোটিনগুলোর ওপর গবেষণার পালা। নেগেল আবিষ্কার করলেন, এই নতুন প্রোটিনগুলো হচ্ছে আয়ন চ্যানেল। আলোর উপস্থিতিতে এই চ্যানেলগুলো খুলে যায়। তিনি এদের নাম দিলেন চ্যানেলরডোপ্সিন-১ ও ২ । চ্যানেলরডোপ্সিন-২ প্রোটিনটি অপটোজেনেটিকসের দুয়ার খুলে দিয়েছে।
চ্যানেলরডোপ্সিনের বৈশিষ্ট্যগুলো নিয়ে আরেকটু কথা বলা দরকার। এর সঙ্গে মিল আছে রডোপ্সিনের, যা পাওয়া যায় চোখের রড কোষে। চ্যানেলরডোপ্সিন প্রায় বিশ গুণ দ্রুত কাজ করে, কিন্তু তার পাশাপাশি এর আরেকটি বিশেষ গুণ আছে।
চোখের রডোস্পিন কাজ করতে ভিটামিন এ থেকে তৈরি হওয়া রেটিনাল যৌগের প্রয়োজন হয়। কিন্তু উত্তেজিত অবস্থায় রডোপ্সিন এই রেটিনাল যৌগ ছেড়ে দেয়। এই যৌগ আটকে রাখার কোনো ব্যবস্থা নেই, তাই ভিটামিন এ যুক্ত খাবার মানুষকে সবসময় খেতে হয়। চ্যানেলরডোপ্সিন কাজ করতেও রেটিনাল যৌগ প্রয়োজন হয়, কিন্তু এই প্রোটিনটি এই রেটিনালকে ধরে রাখতে পারে। তাই সবসময় বাইরে থেকে রেটিনাল বা ভিটামিন এ যোগান দেওয়ার প্রয়োজন পড়ে না।
তাছাড়া চ্যানেলরডোপ্সিন হলো আয়ন চ্যানেল। নিউরনের বিদ্যুৎ প্রবাহের কাজও এরকম আয়ন চ্যানেলের সাহায্যেই হয়।
হেগেম্যান ও নেগেল সরাসরি মানব ভ্রূণ ও হ্যামস্টারের কোষে এই চ্যানেলরডোপ্সিন-২ প্রোটিন প্রবেশ করিয়ে দেখলেন, তারা আলোক সংবেদী হয়ে যায়। তারা ধারণা করলেন, এই প্রতিনিয়ত কোষে বিদ্যুৎ প্রবাহ তৈরি করতে খুব ভালো কাজ করবে।
এবার এই প্রোটিন নিয়ে কাজ শুরু করলেন বিজ্ঞানী কার্ল ডাইসারোথ। নব্বইয়ের দশকে তিনি চিকিৎসক হিসেবে মনোরোগ বিশেষজ্ঞের ক্লিনিকে প্রশিক্ষণ নিচ্ছিলেন। বিষণ্নতা, অটিজম, আলঝেইমারস ডিজিজ সহ বিভিন্ন মানসিক রোগে আক্রান্ত মানুষকে দেখে তাঁর মনে প্রশ্ন জাগে, ঠিক কীভাবে মস্তিষ্কে বিভিন্ন সমস্যার সৃষ্টি হয়।
চিকিৎসক হিসেবে পড়াশুনার পাশাপাশি তিনি নিউরোসায়েন্সে পিএইচডি করছিলেন। তাঁর গবেষণার মূল অংশ ছিল মস্তিষ্ককে মাইক্রোস্কোপের নীচে দেখা। কিন্তু তিনি বুঝতে পারলেন, জীবিত মস্তিষ্কে কী হয় সেটা বুঝতে হলে তার গবেষণা হতে হবে জীবিত মস্তিষ্কেই।
অনেক বিজ্ঞানী ততদিনে আলো ব্যবহার করে মস্তিষ্কের গবেষণা নিয়ে হাল ছেড়ে দিয়েছেন। কিন্তু বিজ্ঞানী কার্ল ভাবলেন নতুন কিছু চেষ্টা করতে ঝুঁকি নিতেই হবে। আর তাই তিনি নতুন কোনো প্রোটিনের খোঁজে নামলেন, যা দিয়ে মস্তিষ্কের নির্দিষ্ট নিউরনকে উত্তেজিত করে তোলা যায়।
নেগেলের গবেষণার কথা জানতে পেরে তিনি তাঁদের থেকে সহায়তা চাইলেন। তাঁর ল্যাবে এসে পৌঁছালো সেই ডিএনএ খণ্ড, যাতে আছে চ্যানেলরডোপ্সিনের জিন। এবার বিজ্ঞানী কার্ল এই ডিএনএগুলোকে প্রবেশ করালেন ইঁদুরের স্নায়ুকোষে। কোষগুলোর কোনো আপাত পরিবর্তন হলো না। কিন্তু এবার নীল আলোর উপস্থিতিতে কোষে বিদ্যুৎ প্রবাহ শুরু হলো। তার মানে সিগন্যাল পৌঁছে যাচ্ছে এক স্নায়ু থেকে আরেকটিতে। তিনি এই আবিষ্কার প্রকাশ করেন ২০০৫ সালে।
কিন্তু বিজ্ঞানী কার্ল এখানেই থেমে থাকলে না, কারণ তাঁর তখনো অনেক দূর যাওয়ার বাকি। তিনি তাঁর আবিষ্কার নিয়ে আলোচনা করলেন অন্যান্য বিজ্ঞানীদের সঙ্গে। তাঁরা আবিষ্কার করলেন এরকম আরও বিভিন্ন প্রোটিন আছে, আর সেগুলো নিয়ে তারা কাজ করতে শুরু করলেন। যাত্রা শুরু হলো অপটোজেনেটিকসের। ২০০৬ সালে কার্লের গবেষণা দল জীবিত ইঁদুরের মস্তিষ্কের কিছু বিশেষ নিউরনে চ্যানেলরডোপ্সিন-২ প্রবেশ করান, আর ইঁদুরের খুলিতে একটা ছোট্ট ছিদ্র দিয়ে একটা অতিসুক্ষ্ম অপটিক্যাল ফাইবার প্রবেশ করিয়ে সেই নিউরনে পাঠান আলো। অপটিক্যাল ফাইবার দিয়ে জীবন্ত ইঁদুরের গোঁফগুলো নাড়ানো সম্ভব হলো। এরপর ঘুমন্ত ইঁদুরকে জাগিয়ে তোলা, কিংবা ভয়ের সৃষ্টি, এরকম বিভিন্ন সূক্ষ্ম সূক্ষ্ম কাজ করা সম্ভব হলো এই প্রযুক্তি দিয়ে।
এভাবে আলোর সাহায্যে মস্তিষ্কের নির্দিষ্ট কিছু স্নায়ুকোষকে উত্তেজিত করার ক্ষমতা মস্তিষ্ক গবেষণায় নতুন দিগন্ত খুলে দিয়েছে। মস্তিষ্কের ৯০ বিলিয়ন স্নায়ুকোষ প্রতিটি হাজার হাজার স্নায়ুকোষের সঙ্গে যুক্ত থাকে। এই সংযোগ হতে পারে মস্তিষ্কের এক প্রান্ত থেকে আরেক প্রান্তে। আবার একদম আলাদা আলাদা কাজ করা দুটি স্নায়ুকোষ থাকতে পারে পাশাপাশি।
অপ্টোজেনেটিকসের কল্যাণে বিজ্ঞানীরা এখন বের করতে পারেন ঠিক কোন স্নায়ুকোষটি কোন কাজ করে, মস্তিষ্কের কোন কাজটি নিয়ন্ত্রণ করে। ব্যথা, সামাজিক আচার আচরণ, তৃষ্ণা, ক্ষুধা, মনোযোগ কীভাবে কাজ করে, মস্তিষ্কের ঠিক কোন অংশ কোন অংশকে সিগন্যাল পাঠায়, তা জানা সম্ভব হয়েছে। ইঁদুরের জটিল সামাজিক আচরণ নিয়ে গবেষণা করতে গিয়ে বিজ্ঞানীরা আবিষ্কার করেছেন, একটা আচরণের পেছনে থাকতে পারে মস্তিষ্কের বিভিন্ন অংশের আলাদা আলাদা স্নায়ুকোষ। অপ্টোজেনেটিক্সের সীমা শুধু মস্তিষ্কেই সীমাবদ্ধ নয়। মস্তিষ্ক আর হৃৎপিণ্ডের স্নায়ু কীভাবে একসঙ্গে কাজ করে, অন্ত্রের বিভিন্ন কোষ কীভাবে চিনির চাহিদা নিয়ন্ত্রণ করে, এরকম আরও অনেক নতুন নতুন আবিষ্কার হয়েছে অপ্টোজেনেটিকসের কল্যাণে।
চিকিৎসাক্ষেত্রেও অপ্টোজেনেটিকস থেকে পাওয়া জ্ঞান ব্যবহার শুরু হয়েছে। বিষণ্নতা, সিজোফ্রেনিয়া, আলঝেইমারস ডিজিজ, পারকিনসন্স ডিজিজসহ মস্তিষ্কের সঙ্গে জড়িত বিভিন্ন রোগ আসলে ঠিক কীভাবে হয়, তা বুঝতে সহায়তা করছে অপ্টোজেনেটিকস। একে সরাসরি চিকিৎসায় ব্যবহার করারও চেষ্টা চলছে। রেটিনাইটিস পিগমেন্টোসা রোগে চোখের রেটিনার রড ও কোন কোষ নষ্ট হয়ে আক্রান্ত ব্যক্তি অন্ধ হয়ে যান। এরকম রেটিনায় চ্যানেলরডোপ্সিনের মতো প্রোটিন প্রবেশ করিয়ে দৃষ্টিশক্তি সামান্য হলেও ফিরিয়ে দেওয়া সম্ভব হয়েছে। এমনকি শ্রবণশক্তি ফিরিয়ে আনতেও অপ্টোজেনেটিকসের ব্যবহার করার কথা ভাবা হচ্ছে। বর্তমান প্রযুক্তিতে কানের ককলিয়ার ইমপ্ল্যান্ট কাজ করে বিদ্যুতের সাহায্যে। অপ্টোজেনেটিকস ব্যবহার করলে ইমপ্ল্যান্ট আরও সূক্ষ্মভাবে কাজ করতে পারবে বলে ধারণা করছেন বিজ্ঞানীরা।
নিউরোসায়েন্সের ইতিহাসে মস্তিষ্ক গবেষণার উন্নতির পেছনে সবসময়ই ছিল মস্তিষ্ককে ভালোভাবে বুঝতে সাহায্য করার বিভিন্ন প্রযুক্তি। বিজ্ঞানী গলগির গলগি স্টেইনিং থেকে বিজ্ঞানী কাহাল আবিষ্কার করেছিলেন নিউরন। বিজ্ঞানী নেহের ও স্যাকম্যান আবিষ্কার করেছিলেন কীভাবে ছোট স্নায়ুকোষের ওপর কাজ করা যায়। তেমনি অপ্টোজেনেটিকসের মাধ্যমে জীবিত মস্তিষ্কের ওপর কাজ করছেন বিজ্ঞানীরা। এই প্রযুক্তির মাধ্যমে বিজ্ঞানীরা শুধু নিউরনের কাজ দেখতেই পারছেন না, সেটা নিয়ন্ত্রণও করতে পারছেন, বুঝতে পারছেন ঠিক কোন স্নায়ুকোষগুলো কোন কাজ করে, কীভাবে মস্তিষ্ক আমাদের জীবনের সকল দিক নিয়ন্ত্রণ করে।
