Jak technologia pozwala nam widzieć i manipulować wspomnieniami

Optogenetyka i zaawansowane obrazowanie pomogły neurologom zrozumieć, w jaki sposób tworzą się wspomnienia i umożliwiły manipulowanie nimi.

za pomocą

• Joshua Sarinana strona archiwum

25 sierpnia 2021

W ludzkim mózgu znajduje się 86 miliardów neuronów, każdy z tysiącami połączeń, co daje początek setkom bilionów synaps. Synapsy — punkty połączeń między neuronami — przechowują wspomnienia. Przytłaczająca liczba neuronów i synaps w naszych mózgach sprawia, że ​​znalezienie dokładnej lokalizacji określonej pamięci jest ogromnym wyzwaniem naukowym.

Ustalenie, w jaki sposób tworzą się wspomnienia, może ostatecznie pomóc nam dowiedzieć się więcej o sobie i zachować nienaruszoną ostrość umysłu. Pamięć pomaga kształtować naszą tożsamość, a upośledzenie pamięci może wskazywać na zaburzenie mózgu. Choroba Alzheimera pozbawia jednostki pamięci, niszcząc synapsy; uzależnienie przejmuje kontrolę nad ośrodkami uczenia się i pamięci w mózgu; a niektóre schorzenia psychiczne, takie jak depresja, są związane z upośledzeniem pamięci.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2021 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Pod wieloma względami neuronauka ujawniła naturę wspomnień, ale również obaliła samo pojęcie, czym są wspomnienia. Pięć poniższych pytań mówi o tym, ile się nauczyliśmy i jakie tajemnice pozostały.

Czy możemy zobaczyć wspomnienia w mózgu?

Neuronaukowcy od dziesięcioleci obserwowali podstawowy zarys wspomnień w mózgu. Jednak dopiero niedawno mogli zobaczyć trwałą fizyczną reprezentację pamięci, którą nazywa się engramem pamięci. Engram jest przechowywany w sieci połączonych neuronów, a neurony przechowujące engram można sprawić, by świeciły aby były widoczne przez specjalne mikroskopy.

Obecnie neuronaukowcy mogą manipulować engramami pamięci, sztucznie aktywując ich podstawowe sieci i wprowadzając nowe informacje. Techniki te rzucają również światło na to, jak działają różne rodzaje pamięci i gdzie każdy z nich jest rejestrowany w mózgu.

Epizodyczna pamięć autobiograficzna zajmuje się tym, co się wydarzyło, gdzie i kiedy. Opiera się na hipokampie, strukturze przypominającej konika morskiego. Wspomnienia proceduralne, wsparte jądrami podstawnymi, przypominają nam, jak wykonywać nawykowe zachowania, takie jak jazda na rowerze. Ten region działa nieprawidłowo u osób uzależnionych. Nasza zdolność do przywoływania faktów, podobnie jak stolic państw, jest dzięki pamięci semantycznej, która jest przechowywana w korze mózgowej.

Jakie narzędzia pozwalają nam zobaczyć wspomnienia?

Pod koniec XIX wieku mikroskopy stołowe umożliwiły identyfikację poszczególnych neuronów, umożliwiając naukowcom rysowanie oszałamiająco szczegółowych reprezentacji mózgu. W połowie XX wieku potężne mikroskopy elektronowe mogły pokazywać struktury synaptyczne o szerokości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów (mniej więcej szerokości cząsteczki wirusa). Na przełomie XXI wieku neuronaukowcy wykorzystali mikroskopy dwufotonowe do obserwacji powstawania synaps w czasie rzeczywistym, podczas gdy myszy się uczyły.

Niewiarygodne postępy w genetyce umożliwiły również wymianę genów do iz mózgu, aby połączyć je z funkcją pamięci. Naukowcy wykorzystali wirusy do wprowadzenia zielonego białka fluorescencyjnego znalezionego w meduzach do mózgów myszy, powodując, że neurony zapalają się podczas uczenia się. Wykorzystali również białko z alg zwane rodopsyną kanałową (ChR2), aby sztucznie aktywować neurony. Białko jest wrażliwe na światło niebieskie, więc po wprowadzeniu do neuronów neurony można włączać i wyłączać za pomocą niebieskiego lasera – technika znana jako optogenetyka. Dzięki tej technologii, której pionierami byli naukowcy ze Stanford prawie dwie dekady temu, neuronaukowcy mogą sztucznie aktywować komórki engramów pamięci u zwierząt laboratoryjnych.

Nowe techniki umożliwiają również badanie, w jaki sposób impulsy nerwowe przekładają informacje zewnętrzne na nasze wewnętrzne światy. Aby obserwować ten proces w mózgu, neuronaukowcy używają maleńkich elektrod do rejestrowania impulsów, które trwają zaledwie kilka milisekund. Narzędzia analityczne, takie jak algorytmy dekodowania neuronowego może następnie wyeliminować hałas, aby ujawnić wzorce wskazujące na ośrodek pamięci w mózgu. Zestawy oprogramowania typu open source umożliwiają większej liczbie laboratoriów neuronaukowych prowadzenie takich badań.

Co te narzędzia mówią nam o tworzeniu i przechowywaniu wspomnień?

Sposób, w jaki neurony stają się częścią engramu pamięci, do niedawna pozostawał tajemnicą. Kiedy neuronaukowcy przyjrzeli się bliżej, byli zaskoczeni, widząc, że neurony konkurują ze sobą o przechowywanie wspomnień. Wstawiając geny do mózgu w celu zwiększenia lub zmniejszenia pobudliwości neuronów, naukowcy dowiedzieli się, że najbardziej pobudzone neurony w okolicy staną się częścią engramu. Te neurony będą również aktywnie powstrzymywać swoich sąsiadów przed staniem się częścią innego engramu przez krótki okres czasu. Ta konkurencja prawdopodobnie pomaga w tworzeniu się wspomnień i pokazuje, że ich alokacja w mózgu nie jest przypadkowa.

Powiązana historia

Dlaczego czujesz się samotny? Neuronauka zaczyna znajdować odpowiedzi. Poszukiwanie przez neurologa samotności może pomóc nam lepiej zrozumieć koszty izolacji społecznej.

W innych eksperymentach naukowcy odkryli, że sieci neuronowe utrzymują zapomniane wspomnienia. Myszy, którym wstrzyknięto koktajl inhibitorów białek, rozwijają amnezję, prawdopodobnie zapominając informacje, ponieważ ich synapsy obumierają. Ale naukowcy odkryli, że te wspomnienia nie zostały na zawsze utracone – neurony nadal zawierały informacje, chociaż bez synaps nie można ich było odzyskać (przynajmniej nie bez stymulacji optogenetycznej). Podobną utratę pamięci wykazywały myszy z chorobą Alzheimera.

Kolejne odkrycie dotyczy tego, jak śnienie wzmacnia nasze wspomnienia. Neuronaukowcy od dawna myśleli, że gdy doświadczenia dnia odtwarzane są w postaci impulsów nerwowych podczas snu, wspomnienia te powoli przenoszą się z hipokampa do kory, aby mózg mógł wydobywać informacje, aby tworzyć reguły dotyczące świata. Wiedzieli również, że niektóre reguły zostały zsyntetyzowane przez korę mózgową szybciej, ale istniejące modele nie potrafiły wyjaśnić, jak to się stało. Ostatnio jednak naukowcy wykorzystali narzędzia optogenetyczne w badaniach na zwierzętach, aby pokazać, że hipokamp działa również na tworzenie tych szybko tworzących się wspomnień korowych.

Hipokamp pomaga szybko tworzyć niedojrzałe engramy pamięci w korze mózgowej, mówi Takashi Kitamura , adiunkt w University of Texas Southwestern Medical Center. Hipokamp nadal uczy korę mózgową, ale bez narzędzi optogenetycznych moglibyśmy nie zaobserwować niedojrzałych engramów.

Czy można manipulować wspomnieniami?

Wspomnienia nie są tak stabilne, jak mogłoby się wydawać . Ze swej natury muszą być podatne na zmiany, inaczej nauka byłaby niemożliwa.

Prawie dziesięć lat temu naukowcy z MIT genetycznie zmienili myszy tak, że gdy ich neurony były aktywne podczas uczenia się, aktywność ta włączała gen ChR2, który był związany z zielonym białkiem fluorescencyjnym. Widząc, które neurony uległy fluorescencji, neuronaukowcy mogli zidentyfikować, które z nich biorą udział w uczeniu się. Mogli reaktywować określone wspomnienia, oświetlając geny ChR2 powiązane z tymi neuronami.

Dzięki tej zdolności naukowcy z MIT wprowadzili fałszywe wspomnienie do mózgu myszy. Najpierw umieścili myszy w trójkątnym pudełku, które aktywowało określone geny i neurony ChR2. Następnie umieścili myszy w kwadratowym pudełku i podali wstrząsy ich stopom, jednocześnie oświetlając neurony ChR2 związane z pierwszym środowiskiem.

W końcu myszy skojarzyły wspomnienie trójkątnego pudełka ze wstrząsami, mimo że wstrząsano nimi tylko wtedy, gdy znajdowały się w kwadratowym pudełku. Zwierzęta bały się środowiska, w którym, technicznie rzecz biorąc, nigdy nie wydarzyło się w nim nic „złego”, mówi Steve Ramirez , współautor badania, który jest obecnie adiunktem neurobiologii na Uniwersytecie w Bostonie.

Nie da się eksperymentować na ludzkim mózgu takimi technikami wykorzystującymi światłowody i lasery, ale wyniki badań na mózgach myszy sugerują, jak łatwo można manipulować wspomnieniami.

Czy możemy zobaczyć wspomnienia poza mózgiem?

Ludzkie wspomnienia można zrekonstruować wizualnie za pomocą skanerów mózgu . W badaniach prowadzonych przez Brice Kuhl , który jest obecnie adiunktem neurobiologii poznawczej na Uniwersytecie w Oregonie, ludziom dano obrazy do obejrzenia, a ich mózgi zostały zeskanowane aparatem MRI, aby zmierzyć, które regiony są aktywne. Następnie przeszkolono algorytm, aby odgadnąć, co ogląda dana osoba i zrekonstruować obraz na podstawie tej czynności. Algorytm zrekonstruował również obrazy od uczestników, których poproszono o zatrzymanie w pamięci jednego z obrazów, które oglądali.

W tych zrekonstruowanych obrazach jest wiele do zrobienia, ale ta praca pokazała, że ​​algorytmy neuroobrazowania i rekonstrukcji rzeczywiście mogą pokazać zawartość ludzkich wspomnień, aby inni mogli je zobaczyć.

Technologia pozwoliła neurologom zajrzeć do mózgu i zobaczyć drobne, świecące ślady pamięci. Jednak odkrycie, że doświadczenia i wiedzę można wszczepiać lub uzewnętrzniać, nadało pamięci również inne znaczenie. Co to oznacza dla naszego poczucia tego, kim jesteśmy?

Joshua Sarinana jest neurobiologiem, pisarzem i fotografem sztuk pięknych.