বিংশ শতাব্দীর শুরুতে কাহাল মস্তিষ্কের কোষের মানচিত্র আঁকলেও এক বিশাল মৌলিক রহস্য অধরা রয়ে গিয়েছিল: চিন্তা, দৃষ্টির অনুভূতি কিংবা আঙুল নাড়ানোর আদেশগুলো এই ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র স্নায়ুর তার দিয়ে বাস্তবে কীভাবে ছুটে বেড়ায়? ১৭৮০ সালে লুইজি গ্যালভানি স্থির বিদ্যুতের স্ফুলিঙ্গ দিয়ে মৃত ব্যাঙের পা নাচিয়ে প্রমাণ করেছিলেন যে জীবদেহে বিদ্যুতের প্রবাহ রয়েছে। ১৯৫২ সালে ইংল্যান্ডের প্লাইমাউথের মেরিন ল্যাবরেটরিতে বিজ্ঞানী অ্যালান হজকিন এবং অ্যান্ড্রু হাক্সলে মানব শারীরবিদ্যার অন্যতম সেরা গাণিতিক বিজয় অর্জন করলেন: আয়ন চ্যানেলের নৃত্য উন্মোচন করে আবিষ্কার করলেন অ্যাকশন পটেনশিয়াল (Action Potential)—যা মানুষের সচেতন মনের সার্বজনীন বাইনারি কোড।
আটলান্টিক স্কুইড ও বিশালাকার অ্যাক্সন
১৯৩০-এর দশকে স্তন্যপায়ী প্রাণী বা মানুষের স্নায়ুকোষের ভেতরের বিদ্যুৎ মাপা ছিল প্রযুক্তিগতভাবে অসম্ভব: মানুষের একটি একক অ্যাক্সনের ব্যাস মাত্র ১ থেকে ২ মাইক্রোমিটার—যার ভেতর কাঁচের ইলেকট্রোড ঢোকাতে গেলেই কোষটি ছিন্নভিন্ন হয়ে যেত।
ত্রাতা হিসেবে আবির্ভূত হলো উত্তর আটলান্টিকের বিশালাকার স্কুইড (Loligo pealeii)। ১৯৩৬ সালে ব্রিটিশ প্রাণিবিজ্ঞানী জে. জেড. ইয়ং আবিষ্কার করলেন যে আত্মরক্ষার্থে দ্রুত সাঁতার কাটার জন্য স্কুইডের দেহে রয়েছে এক অবিশ্বাস্য অঙ্গ: এর অ্যাক্সনগুলো প্রায় ১ মিলিমিটার (১০০০ মাইক্রোমিটার) পর্যন্ত পুরু—মানুষের স্নায়ুর চেয়ে শত শত গুণ মোটা, যা খালি চোখেই স্বচ্ছ সেমাইয়ের সুতোর মতো দেখা যায়!
বিশ্রামকালীন মেমব্রেন পটেনশিয়াল: জীবন্ত ব্যাটারি
হজকিন ও হাক্সলে স্কুইডের অ্যাক্সনের ভেতরে রূপার প্রলেপযুক্ত অতি সূক্ষ্ম কাঁচের নল ঢুকিয়ে মেমব্রেনের দুই পাশের বৈদ্যুতিক বিভব মাপলেন। শান্ত অবস্থায় কোষের ভেতরের ভোল্টেজ ঋণাত্মক মান ধারণ করে থাকে:
$$V_m approx -৭০ text{ মিলিভোল্ট}$$
এই বিশ্রামকালীন বিভব তৈরি হয় কোষ পর্দার দুই পাশে সোডিয়াম ও পটাসিয়াম আয়নের অসম ঘনত্বের কারণে, যা সোডিয়াম-পটাসিয়াম এটিপি পাম্পের ($৩text{Na}^+ text{ বাইরে} / ২text{K}^+ text{ ভেতরে}$) মাধ্যমে সার্বক্ষণিক সচল থাকে:
- তীব্র ডিপোলারাইজেশন (সোডিয়ামের অন্তঃপ্রবাহ): ভোল্টেজ-গেটেড সোডিয়াম চ্যানেলগুলো বিদ্যুৎ গতিতে খুলে যায়। সোডিয়াম আয়ন ($Na^+$) হুড়মুড় করে ভেতরে ঢুকে পড়ে কোষের ভোল্টেজকে এক মিলিsecond-এ $+৪০ text{ mV}$-এ পৌঁছে দেয়।
- রিপোলারাইজেশন (পটাসিয়ামের বহিঃপ্রবাহ): সোডিয়াম চ্যানেল নিষ্ক্রিয় হয়ে যায় এবং পটাসিয়াম চ্যানেল খুলে গিয়ে $K^+$ আয়ন বাইরে বের হয়ে যায়—ফলে কোষ পুনরায় ঋণাত্মক বিভবে ফিরে আসে।
- রিফ্র্যাক্টরি পিরিয়ড: চ্যানেলগুলো সাময়িকভাবে বন্ধ থাকায় সংকেত কখনো পেছনে ফিরে যেতে পারে না; এটি আলোর মতো একমুখী গতিতে সামনের দিকে ছুটে যায়।
হজকিন-হাক্সলে সমীকরণমালা
১৯৫২ সালে জার্নাল অব ফিজিওলজিতে প্রকাশিত পাঁচটি গবেষণাপত্রে তাঁরা কোষের ঝিল্লিকে একটি সমতুল্য ইলেকট্রনিক সার্কিট হিসেবে উপস্থাপন করলেন:
$$I_m = C_m frac{dV_m}{dt} + bar{g}_{text{Na}} m^3 h (V_m – E_{text{Na}}) + bar{g}_{text{K}} n^4 (V_m – E_{text{K}}) + g_L (V_m – E_L)$$
যেখানে $m, h, n$ হলো আয়ন চ্যানেল খোলার সম্ভাব্যতা নির্দেশক চলক। হাতে ঘোরানো ক্যালকুলেটরে মাসের পর মাস হিসাব কষে হাক্সলে দেখালেন যে তাঁদের গাণিতিক সমীকরণের ফলাফল অসিলোস্কোপের পর্দায় দেখা বাস্তব স্নায়ু তরঙ্গের সাথে হুবহু মিলে যায়!
১৯৬৩ সালে নোবেল পুরস্কারে ভূষিত এই যুগান্তকারী আবিষ্কার প্রমাণ করল যে চেতনা বা চিন্তা কোনো অবাস্তব জাদুকরী শক্তি নয়; আমাদের সমস্ত স্মৃতি, কল্পনা আর ভালোবাসার অনুভূতি হলো কোষের জানালায় সোডিয়াম ও পটাসিয়াম আয়নের প্রতি সেকেন্ডে একশত মিটার বেগে ছুটে চলা এক সুমধুর মহাজাগতিক অর্কেস্ট্রা।
- কোষের ভেতরে: উচ্চ ঘনত্বের পটাসিয়াম ($text{K}^+$) এবং ঋণাত্মক প্রোটিন অণু।
- কোষের বাইরে: উচ্চ ঘনত্বের সোডিয়াম ($text{Na}^+$) ও ক্লোরাইড ($text{Cl}^-$)—যা আদিম সমুদ্রের পানির অনুরূপ।
প্রতিটি আয়নের ভারসাম্য বিভব নির্ধারিত হয় থার্মোডায়নামিক নার্নস্ট সমীকরণ (Nernst Equation) দ্বারা:
$$E_{text{ion}} = frac{RT}{zF} ln left( frac{[text{ion}]_{text{out}}}{[text{ion}]_{text{in}}} right)$$
ভোল্টেজ ক্ল্যাম্প ও অ্যাকশন পটেনশিয়ালের জন্ম
কেনেথ কোলের উদ্ভাবিত ভোল্টেজ-ক্ল্যাম্প প্রযুক্তি ব্যবহার করে বিজ্ঞানীরা অ্যাক্সনের ভোল্টেজকে নির্দিষ্ট মানে ধরে রেখে মেমব্রেনের ভেতর দিয়ে প্রবাহিত আয়ন প্রবাহ মাপলেন। দেখা গেল কোষের ভোল্টেজ যখন উদ্দীপিত হয়ে একটি নির্দিষ্ট থ্রেশহোল্ড ($-৫৫ text{ mV}$) অতিক্রম করে, তখন পলকের মধ্যে বিদ্যুৎ স্ফুলিঙ্গের মতো এক অবিশ্বাস্য সংকেত তৈরি হয়:
- তীব্র ডিপোলারাইজেশন (সোডিয়ামের অন্তঃপ্রবাহ): ভোল্টেজ-গেটেড সোডিয়াম চ্যানেলগুলো বিদ্যুৎ গতিতে খুলে যায়। সোডিয়াম আয়ন ($Na^+$) হুড়মুড় করে ভেতরে ঢুকে পড়ে কোষের ভোল্টেজকে এক মিলিsecond-এ $+৪০ text{ mV}$-এ পৌঁছে দেয়।
- রিপোলারাইজেশন (পটাসিয়ামের বহিঃপ্রবাহ): সোডিয়াম চ্যানেল নিষ্ক্রিয় হয়ে যায় এবং পটাসিয়াম চ্যানেল খুলে গিয়ে $K^+$ আয়ন বাইরে বের হয়ে যায়—ফলে কোষ পুনরায় ঋণাত্মক বিভবে ফিরে আসে।
- রিফ্র্যাক্টরি পিরিয়ড: চ্যানেলগুলো সাময়িকভাবে বন্ধ থাকায় সংকেত কখনো পেছনে ফিরে যেতে পারে না; এটি আলোর মতো একমুখী গতিতে সামনের দিকে ছুটে যায়।
হজকিন-হাক্সলে সমীকরণমালা
১৯৫২ সালে জার্নাল অব ফিজিওলজিতে প্রকাশিত পাঁচটি গবেষণাপত্রে তাঁরা কোষের ঝিল্লিকে একটি সমতুল্য ইলেকট্রনিক সার্কিট হিসেবে উপস্থাপন করলেন:
$$I_m = C_m frac{dV_m}{dt} + bar{g}_{text{Na}} m^3 h (V_m – E_{text{Na}}) + bar{g}_{text{K}} n^4 (V_m – E_{text{K}}) + g_L (V_m – E_L)$$
যেখানে $m, h, n$ হলো আয়ন চ্যানেল খোলার সম্ভাব্যতা নির্দেশক চলক। হাতে ঘোরানো ক্যালকুলেটরে মাসের পর মাস হিসাব কষে হাক্সলে দেখালেন যে তাঁদের গাণিতিক সমীকরণের ফলাফল অসিলোস্কোপের পর্দায় দেখা বাস্তব স্নায়ু তরঙ্গের সাথে হুবহু মিলে যায়!
১৯৬৩ সালে নোবেল পুরস্কারে ভূষিত এই যুগান্তকারী আবিষ্কার প্রমাণ করল যে চেতনা বা চিন্তা কোনো অবাস্তব জাদুকরী শক্তি নয়; আমাদের সমস্ত স্মৃতি, কল্পনা আর ভালোবাসার অনুভূতি হলো কোষের জানালায় সোডিয়াম ও পটাসিয়াম আয়নের প্রতি সেকেন্ডে একশত মিটার বেগে ছুটে চলা এক সুমধুর মহাজাগতিক অর্কেস্ট্রা।
