মস্তিষ্কের পদার্থবিজ্ঞান

 

মানুষের শরীরের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ এবং সবচেয়ে জটিল যে অঙ্গ – তার নাম মস্তিষ্ক। আমাদের মস্তিষ্ক এতটাই জটিল এবং এর কর্মদক্ষতা এতটাই বিস্ময়কর যে একে মহাবিশ্বের সাথে তুলনা করে বলা হয় – দ্য থ্রি পাউন্ড ইউনিভার্স। তিন পাউন্ড বা প্রায় দেড় কেজি ভরের এই মস্তিষ্কের আকার কিংবা গঠন কোনটাই আপাতদৃষ্টিতে খুব একটা আকর্ষণীয় নয়। থলথলে স্পঞ্জের মতো দেখতে এই মস্তিষ্কের উপাদানের শতকরা ৭৮ ভাগই হলো পানি, ১০ থেকে ১২ ভাগ লিপিড, দুই ভাগ বিভিন্ন জৈবযৌগের মিশ্রণ, এক ভাগ কার্বোহাইড্রেট আর এক ভাগ লবণ। দেহের সমস্ত সূক্ষ্ম জটিল কার্যকলাপ নিয়ন্ত্রিত হয় যে মস্তিষ্কের মাধ্যমে, যেখান থেকে সমস্ত আবেগ দুঃখ বেদনার বোধ জন্ম নেয় – সেই মস্তিষ্ক নিজে কোন বেদনা অনুভব করে না। কারণ মস্তিষ্কের ভেতর কোন পেইন রিসেপ্টর নেই।

আমাদের মস্তিষ্ক অবিশ্বাস্য রকমের দ্রুত গতিতে বিপুল পরিমাণ তথ্য সংগ্রহ, বিশ্লেষণ এবং শরীরের অন্যান্য অঙ্গে সঞ্চালন করতে পারে। হাবল টেলিস্কোপ মহাকাশ থেকে গত তিরিশ বছরে যে পরিমাণ তথ্য সংগ্রহ করে পাঠিয়েছে আমাদের মস্তিষ্ক প্রতি তিরিশ সেকেন্ডে তার চেয়ে বেশি তথ্য সংগ্রহ এবং সঞ্চালন করছে।

এত দ্রুত গতিতে মস্তিষ্কের কাজ চলে বলেই অন্যান্য অঙ্গের তুলনায় এই ছোট্ট অঙ্গটির অনেক বেশি জ্বালানি লাগে। আমাদের শরীরের মোট ভরের শতকরা মাত্র দুই ভাগ ভর এই মস্তিষ্কের, কিন্তু শরীরের মোট শক্তির শতকরা বিশ ভাগ খরচ হয় এই মস্তিষ্কের পেছনে। আমাদের দেহে যে তাপ উৎপন্ন হয়, তার শতকরা আশি ভাগ তাপ বের হয় মস্তিষ্ক দিয়ে। শিশুদের ক্ষেত্রে এই অনুপাতের পরিমাণ আরো বেশি। সদ্যজাত শিশুদের শরীরের মোট শক্তির শতকরা ৬৫ ভাগ খরচ করে ফেলে তাদের মস্তিষ্ক, তাই তারা বেশিরভাগ সময় ঘুমায়।

কিন্তু মস্তিষ্ক এত কাজ করে কীভাবে? এই প্রশ্নের মোটামুটি উত্তর বিজ্ঞানীদের কাছে থাকলেও এখনো পুরোটা নেই। মস্তিষ্কের সূক্ষ্মাতিসূক্ষ্ম স্নায়ুতন্ত্র এবং স্নায়ুকোষ ‘নিউরন’-এর গঠন এবং কার্যকলাপ সম্পর্কে বিজ্ঞানীরা বছরের পর বছর নিরলস গবেষণা করার পরও যতটুকু জানতে পেরেছেন তা এর জটিলতার পক্ষে নিতান্তই গৌণ। এখনো সঠিকভাবে জানা যায়নি মস্তিষ্কের কোষগুলির মাইক্রোস্ট্রাকচার কিংবা স্নায়বিক সার্কিট – কীভাবে মস্তিষ্কে তথ্য আদান-প্রদান করে। যদি জানা যায়, তাহলে মস্তিষ্কের অনেক রোগ – যেমন স্মৃতিভ্রংশতা (ডিমেনশিয়া), পারকিনসন্স, মৃগীরোগ (এপিলেপ্সি), স্কিৎজোফ্রেনিয়া, অটিজম – ইত্যাদির সঠিক কারণ এবং নিরাময়ের উপায় জানা যেতো।

অতিসম্প্রতি (মে ২০২৪) হার্ভার্ড ইউনিভার্সিটি, লন্ডন ইউনিভার্সিটি এবং গুগল রিসার্চ সেন্টারের বিজ্ঞানীরা মানুষের মস্তিষ্কের এক ঘন মিলিমিটার আয়তনের (ছোট্ট এক দানা চালের সমান) গভীর যান্ত্রিক বিশ্লেষণ করে ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপের সাহায্যে ন্যানোস্কেলে (এক মিলিমিটারের দশ লক্ষ ভাগের এক ভাগ) ছবি তুলতে সমর্থ হয়েছেন। তাঁদের পরীক্ষালব্ধ ফলাফল প্রকাশিত হয়েছে বিখ্যাত সায়েন্স জার্নালে (সায়েন্স, সংখ্যা ৩৮৪, ১০ মে ২০২৪)।

এই ছোট্ট এক দানা (এক ঘন মিলিমিটার) মস্তিষ্কের উপাদানে বিজ্ঞানীরা পেয়েছেন ৫৭ হাজার কোষ, ২৩০ মিলিমিটার রক্তনালী এবং পনের কোটি স্নায়ুসংযোগ (synapses)। এবং এই সবগুলি তথ্য বিশ্লেষণ করতে ডাটা লেগেছে ১.৪ পিটাবাইট (১৪০০ টেরাবাইট)। আমাদের একটি মস্তিষ্কেই পৃথিবীর সমস্ত ইন্টারনেটের সবকিছু ধরে যাবে তাতে কোন সন্দেহ নেই।

 

উপরের ছবিটিতে ইলেট্রন মাইক্রোস্কোপের মাধ্যমে মস্তিষ্কের কোষে নিউরনের অবস্থান দেখা যাচ্ছে। নিউরনের চারপাশে দেখা যাচ্ছে অসংখ্য অ্যাক্সন (axon).

ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপের সাহায্যে শুধুমাত্র একটি নিউরনকে আলাদা করে বিজ্ঞানীরা দেখিয়েছেন এই ছবিতে। এই একটিমাত্র নিউরনের চারপাশে পাওয়া গেছে ৫,৬০০ অ্যাক্সন যাদের মাধ্যমে নিউরনের তথ্য আদান-প্রদান হয়। অ্যাক্সনের সাথে আছে জালের মতো অসংখ্য স্নায়ুসংযোগ (synapses)।

শুধুমাত্র একটি নিউরনেই এত বেশি জটিল সংযোগ দেখে অনুমান করা যায় পুরো মস্তিষ্কের ৮৬০০ কোটি নিউরনের মোট সংযোগ কীরকম জটিল হবে। এই জটাজালের ভেতর দিয়ে আমাদের মস্তিষ্ক কীভাবে সব কাজ করে তা পুরোপুরি জানতে হলে আরো অনেক বছর নিরলস গবেষণা করতে হবে।

কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানের সাহায্যে মস্তিষ্কের কাজকর্ম বোঝার জন্য ব্রেইন ফিজিক্স বা কোয়ান্টাম নিউরোফিজিক্স নামে একটি শাখা আস্তে আস্তে বড় হচ্ছে। নোবেলজয়ী পদার্থবিজ্ঞানী রজার পেনরোজ তাঁর  ‘দি এমপারারস নিউ মাইন্ড অ্যান্ড দ্য ল-জ অব ফিজিক্স’ বইতে বিস্তারিতভাবে আলোচনা করেছেন আমাদের সত্যিকারের মস্তিষ্ক আর সুপার কম্পিউটারের মাধ্যমে তৈরি করা মডেল মস্তিষ্কের মধ্যে মূল পার্থক্য কোথায়।

মস্তিষ্ক আমাদের শারীরবৃত্তিক যেসব কাজ নিয়ন্ত্রণ করে তার সবগুলি কাজের যান্ত্রিক মডেল তৈরি করা সম্ভব এবং যান্ত্রিক মস্তিষ্কের মাধ্যমে তা পরিচালনা করাও সম্ভব। কারণ শারীরবৃত্তিক কাজ – যেমন হৃৎপিন্ডের রক্তসঞ্চালন, কিডনির কাজ, ফুসফুসের কাজ, চোখের কাজ, কানের কাজ – এই নির্দিষ্ট কাজগুলি কিছু সুনির্দিষ্ট নিয়মে ঘটে। কিন্তু সমস্যা হয় মস্তিষ্কের চিন্তাভাবনা করার ক্ষমতা ও পদ্ধতি নিয়ে। মন বলতে আমরা যেটা বুঝি – মস্তিষ্কের ভেতর তা ঠিক কীভাবে কাজ করে? সব মানুষের মস্তিষ্কের জীববিজ্ঞান এক হলেও মনোবিজ্ঞান এক নয় কেন? একই বাসায় একই বাবা-মায়ের সন্তানরা একই পরিবেশে মানুষ হবার পরেও তাদের মানসিক সিদ্ধান্ত গ্রহণ করার পদ্ধতি, চিন্তাভাবনা, ভালোলাগা-মন্দলাগার ব্যাপারটি এবং সর্বোপরি – দয়ামায়া, প্রেম-ভালোবাসা, ঘৃণা-ঈর্ষা এই অনুভূতিগুলি মস্তিষ্কে ঠিক কীভাবে তৈরি হয় – তা এখনো সুনির্দিষ্টভাবে জানা সম্ভব হয়নি। আর জানা গেলেও তা কি যান্ত্রিক মস্তিষ্কের তৈরি করা সম্ভব?

কোয়ান্টাম বায়োলজির মাধ্যমে প্রাণি এবং উদ্ভিদজগতের কিছু কিছু বিষয় ব্যাখ্যা করা সম্ভব হয়েছে। আমাদের মনে রাখতে হবে, ব্যাখ্যা করা আর যান্ত্রিকভাবে এক কথা নয়। কেউ কী চিন্তা করছে, কেন চিন্তা করছে – তার অনেক মনোবৈজ্ঞানিক ব্যাখ্যা হয়তো দেয়া সম্ভব। কিন্তু একজন সুস্থ স্বাভাবিক মানুষের চিন্তাকে নিয়ন্ত্রণ করা কি সম্ভব? যান্ত্রিক সুইচ টিপে কি বাধ্য করা সম্ভব – মস্তিষ্ক কী চিন্তা করবে? কীভাবে কাজ করবে?

ব্রেইন ফিজিক্স এখনো বোঝার চেষ্টা করছে মস্তিষ্কের জটিল স্নায়ুসংযোগের কাজগুলি পদার্থবিজ্ঞানের কোন্‌ কোন্‌ নিয়মে ঘটে। আমাদের শারীরবৃত্তিক কাজগুলি নিয়ন্ত্রিত হয় রাসায়নিক আয়ন-চ্যানেলের কার্যকলাপের মাধ্যমে। কোয়ান্টাম বায়োলজি তা সঠিকভাবে ব্যাখ্যা করতে পারে। কোয়ান্টাম কম্পিউটারের মাধ্যমে এই কাজগুলি কৃত্রিমভাবে পরিচালনা করা সম্ভব হবে। আমরা কীভাবে দেখি, গন্ধ পাই, কিংবা সালোকসংশ্লেষণ কীভাবে ঘটে তা কোয়ান্টাম জীববিজ্ঞান ইতোমধ্যে ব্যাখ্যা করা শুরু করেছে। কিন্তু মস্তিষ্কের কাজ আরো অনেক অনেক বেশি জটিল।

বিজ্ঞানীরা ধারণা করছেন মস্তিষ্কে চৌম্বকক্ষেত্রের একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা থাকতে পারে। আমাদের মস্তিষ্কের ভেতর অত্যন্ত ক্ষুদ্রমানের একটি চৌম্বকক্ষেত্র আছে। এর পরিমাণ মাত্র ০.১ পিকোটেসলা। (১ পিকো টেসলা = ১০^-১২ টেসলা)। আমরা জানি পৃথিবী একটি বিরাট আকারের চুম্বক, কিন্তু তার চৌম্বকক্ষেত্রের পরিমাণ খুবই কম (২৫ থেকে ৬৫ মাইক্রোটেসলা)। আমাদের মস্তিষ্কের চৌম্বকক্ষেত্রের পরিমাণ পৃথিবীর চৌম্বকক্ষেত্রের চেয়ে পাঁচ কোটি গুণ কম। মস্তিষ্কের ভেতর এই চৌম্বকক্ষেত্রের উৎপত্তি হয় নিউরনের অ্যাক্সন ও আয়ন চ্যানেলের মধ্যে মিথষ্ক্রিয়ার ফলে। মস্তিষ্কের নিউরনের জটিল সার্কিটের ভেতর অত্যন্ত ক্ষুদ্রপরিমাণের বিদ্যুৎ-প্রবাহ কাজ করে। প্রতিটি তথ্য আদান-প্রদানের ফলে বৈদ্যুতিক সার্কিট কার্যকর হয় এবং বিদ্যুৎ-প্রবাহের ফলে চৌম্বকক্ষেত্রের উৎপত্তি হয়। এই বিপুল পরিমাণ সার্কিটের কর্মতৎপরতা বাহ্যিকভাবে নিয়ন্ত্রণ করা অত্যন্ত সময়সাপেক্ষ। তবে কোয়ান্টাম জীববিজ্ঞানীরা তাঁদের তাত্ত্বিক ধারণার কিছু প্রমাণ পেতেও শুরু করেছেন। তাঁরা দেখেছেন যখন আমরা গভীর মনোযোগ দিয়ে কোন কিছু চিন্তা করি – তখন মস্তিষ্কের অনেকগুলি সংযোগ একই সাথে একই দিকে প্রবাহিত হয়। তখন মস্তিষ্কে ৪০ থেকে ৮০ হার্টজ কম্পাঙ্কের গামা-তরঙ্গ প্রবাহিত হয়। [গামা তরঙ্গ মস্তিষ্কের বৈদ্যুতিক তরঙ্গ – বিস্তারিত দেখুন: বিজ্ঞানচিন্তা জুলাই ২০২১ সংখ্যায়]। বিজ্ঞানীরা ধারণা করছেন আমাদের মস্তিষ্কের চৌম্বকক্ষেত্র আমাদের চিন্তাভাবনাকে নিয়ন্ত্রণ করতে পারে। অবশ্য এই ধারণা এখনো সঠিকভাবে প্রমাণ করা সম্ভব হয়নি।

মস্তিষ্কের ৮৬০০ কোটি নিউরনের লক্ষ কোটি সংযোগ এত দ্রুত গতিতে সম্পন্ন হবার পদার্থবৈজ্ঞানিক ব্যাখ্যা হতে পারে কোয়ান্টাম টানেলিং। কারণ এতগুলি স্নায়ুসংযোগ পার হতে যে সময় এবং শক্তির দরকার তার চেয়ে অনেক কম সময় এবং শক্তিতে কাজ হয়ে যাচ্ছে কোয়ান্টাম টানেলিং-এর মাধ্যমে। নোবেলজয়ী অস্ট্রেলিয়ান স্নায়ুবিজ্ঞানী জন এক্লেস ১৯৯০ সালে মস্তিষ্কের ভেতর কোয়ান্টাম টানেলের তত্ত্ব সমর্থন করেছেন। মস্তিষ্কের নিউরো-ট্রান্সমিটার প্যাকেজ হলো শক্তির কোয়ান্টা। নিউরনের অ্যাক্সনগুলির কাজকর্মের মূলে যেমন আছে রাসায়নিক সংযোগ, তেমনি আছে বৈদ্যুতিক সংযোগ। একটি নিউরন থেকে অন্য নিউরনের মধ্যবর্তী যে দূরত্ব – আয়ন, নিউরোট্রান্সমিটার এবং ইলেকট্রন – সেই দূরত্ব অতিক্রম করে কোয়ান্টাম টানেলিং-এর মাধ্যমে। বিজ্ঞানীরা হিসেব করে দেখেছেন কোয়ান্টাম টানেলিং-এ যে শক্তি ক্ষয় হয় তাকে কম্পাঙ্কে হিসেব করলে তা মস্তিষ্কের গামা-তরঙ্গের কম্পাঙ্কের সাথে মিলে যায়। অর্থাৎ আমরা যখন গভীর মনোযোগ সংযোগ করে কোনকিছু করি – তখন মস্তিষ্কে কোয়ান্টাম টানেলিং হয়, এবং গামা-তরঙ্গ প্রবাহিত হয়।

এ তো গেল মনোযোগের ব্যাপার। কিন্তু আমাদের বিবেকবোধ, চেতনা এগুলির উদয় হয় কীভাবে? কোয়ান্টাম নিউরোপদার্থবিজ্ঞানীরা ধারণা করছেন কোয়ান্টাম এন্টেঙ্গেলমেন্ট বা কোয়ান্টামের জটাজাল এবং কোয়ান্টাম স্পিন থেকে উৎপত্তি হয় আমাদের চেতনাশক্তি, বিবেকবোধ ইত্যাদি অনেক মানবিক কিংবা অমানবিক চিন্তাভাবনা। এই তত্ত্ব অনুসারে আমাদের চেতনা সেলমেমব্রেনে পরমাণুর স্পিনের পদ্ধতি এবং পরিমাণের উপর নির্ভর করে। নিউরনের আয়ন আদান-প্রদানের হার নিয়ন্ত্রিত হয় এই কোয়ান্টাম স্পিনের উপর। এর সাথে যুক্ত হয় মস্তিষ্কের চৌম্বকক্ষেত্র। এই তত্ত্ব যদি সত্য হয়, তাহলে দেখা যাবে আমাদের মস্তিষ্ক কোয়ান্টাম ফিল্ড থিওরি প্রমাণের সর্বোৎকৃষ্ট জায়গা। কিন্তু তার জন্য আমাদের কতদিন অপেক্ষা করতে হবে এখনো বলা যাচ্ছে না। কোয়ান্টাম কম্পিউটার বিজ্ঞানীদের হাতের নাগালে চলে এলে এই কাজ ত্বরান্বিত হবে এবং আমাদের মগজ দিয়েই আমরা আমাদের মগজের কাজকর্ম বুঝতে পারবো। 

 

তথ্যসূত্র

১।         রজার পেনরোজ, দি এমপারারস নিউ মাইন্ড অ্যান্ড দ্য ল-জ অব ফিজিক্স, অক্সফোর্ড ইউনিভার্সিটি প্রেস, ২০০২।

২।        বিল ব্রাইসন, দ্য বডি, ডাবল ডে, লন্ডন ২০১৯।

৩।        ন্যাচার, মে ২০২৪।

৪।        সায়েন্স, সংখ্যা ৩৮৪, মে ২০২৪।

৫।        প্রদীপ দেব, নিউরনের জাল এবং মহাবিশ্ব (বিজ্ঞানচিন্তা ডিসেম্বর ২০২০), মস্তিষ্কের বৈদ্যুতিক তরঙ্গ (বিজ্ঞানচিন্তা জুলাই ২০২১)।

-----------------------

বিজ্ঞানচিন্তা জুন ২০২৪ সংখ্যায় প্রকাশিত