Śledzenie pamięci

Susumu Tonegawa może sprawić, że myszy zapamiętają rzeczy, które nigdy się nie wydarzyły. W niezwykłej serii badań, które jego laboratorium opublikowało w ciągu ostatnich czterech lat, jego zespół opracował sposoby śledzenia i manipulowania wspomnieniami zwierząt — wszczepiania fałszywych wspomnień, zamiany złych wspomnień na dobre, a nawet przywracania wspomnień u myszy z amnezją . Badania te posunęły naprzód dziedzinę badań nad pamięcią i potwierdziły 77-letnią Tonegawę jako jednego z jej liderów.

Ale gdy opowiada o swojej pracy w swoim biurze w Instytucie Uczenia się i Pamięci MIT Picower, Tonegawa wydaje się być najbardziej ożywiony, gdy mówi o pytaniach, na które jeszcze nie odpowiedział – takich jak te dotyczące długoterminowego losu wspomnień. Jego badania w dużej mierze koncentrowały się na hipokampie, regionie mózgu krytycznym dla zapamiętywania doświadczeń. Naukowcy od dziesięcioleci wiedzą, że hipokamp jest tylko tymczasowym repozytorium, wyjaśnia. Pamięć, którą przechowujemy od lat, jest przechowywana w korze nowej.

Pytam go, jak to możliwe, że pamięć przemieszcza się z jednego miejsca w mózgu do drugiego.

Jak to możliwe, że takie doświadczenie jak film, który obejrzałeś wczoraj wieczorem, jest w jakiś sposób zakorzenione w twoim mózgu?

Właśnie to teraz studiujemy, mówi, a jego twarz się rozjaśnia. Jego laboratorium śledzi interakcje między dwoma obszarami mózgu, aby dowiedzieć się, jak wspomnienia trafiają do kory nowej. Jeśli naukowcy potrafią dokładnie określić, które komórki przechowują pamięć długotrwałą, mogą zacząć badać i manipulować tymi wspomnieniami, tak jak zrobili to z pamięciami krótkotrwałymi. Ale to jest w czołówce naszych badań, mówi ze śmiechem, jakby coś zdradzał. To kolejny krok. Robimy wiele rzeczy, ale to jest jedna z rzeczy, którymi jestem bardzo podekscytowany.

Naukowcy, którzy znają Tonegawę, mówią, że zawsze myśli o kolejnym kroku. Jedną z rzeczy, które charakteryzują Susumu jako naukowca, jest nieustanne skupienie się na tym, co postrzega jako najważniejszy problem w swojej dziedzinie, mówi David Anderson, neurobiolog z Caltech. Jest totalnym naukowcem. Chce wiedzieć, jaka jest odpowiedź na pytanie; zależy mu na uzyskaniu właściwej odpowiedzi.

Laboratorium Tonegawy znalazło obwód mózgu, który pomaga tworzyć epizodyczne wspomnienia. Dostarcza informacje o doznaniu do hipokampu dwoma różnymi ścieżkami: komórki oceanu (zielone) wysyłają dane kontekstowe; komórki wyspowe (czerwone) przekazują informacje o czasie.

Nie przepada za wydarzeniami towarzyskimi i nie jest znany z small talku (chyba że chodzi o Red Sox). Zamiast tego kieruje nim ciekawość. W szczególności o pytaniach takich jak to: Jak to możliwe, że doświadczenie, takie jak film, który obejrzałeś wczoraj wieczorem, jest w jakiś sposób zakorzenione w twoim mózgu?

Pamięć to coś, czego nie można określić, mówi Tonegawa. Koncepcyjnie następuje przeskok od bytu fizycznego do zjawiska niefizycznego — informacji. Pytanie brzmi, jak przechowujesz informacje? Musi istnieć jakaś fizyczna podstawa tego przechowywania.

Szokujące wspomnienia

Nauka o mózgu to tak naprawdę druga kariera Tonegawy, która jako pierwsza zyskała rozgłos dzięki pracy, która pomogła wyjaśnić, jak działa układ odpornościowy. Urodzony w Nagoi w Japonii w 1939 roku, studiował chemię, zanim zafascynował się biologią molekularną na studiach. Doktoryzował się na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, pracował w Instytucie Salka, a następnie w Bazylei Instytucie Immunologii w Szwajcarii. Odniósł się tam do problemu, w jaki sposób układ odpornościowy może generować różnorodne przeciwciała do obrony przed patogenami. Jego eksperymenty, które wykazały, że DNA używane do wytwarzania przeciwciał jest przetasowane, aby uzyskać wiele nowych kombinacji w ciągu życia danej osoby, przyniosły mu Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1987 roku.

Tonegawa została zwerbowana do MIT w 1981 roku do pracy w Centrum Badań nad Rakiem. Jego badania obejmowały genetyczną inżynierię myszy w celu zbadania roli genów w układzie odpornościowym i to ta technologia jako pierwsza doprowadziła go do neuronauki. W połowie lat 80. pozwolił stażyście, Alcino Silvie (obecnie dyrektorowi Integrative Center for Learning and Memory na UCLA), zbadać ścieżkę badań, o której już myślał: wykorzystanie inżynierii genetycznej do badania mózgu. W 1992 roku poinformowali, że usunięcie określonego genu osłabiło zdolność myszy do uczenia się informacji przestrzennych. To było ważne odkrycie: pojedynczy gen mógł wpływać na złożony proces poznawczy.

Stopniowo taka praca stała się jedynym celem laboratorium Tonegawy. Czułem, że mózg jest prawdziwym tematem na przyszłość – mówi. Neuronauka była rozwijającą się dziedziną, a genetycznie zmodyfikowane myszy otworzyły nowy sposób jej badania.

Susumu Tonegawa

Tonegawa postanowiła skupić się na uczeniu się i pamięci. Zobaczył, że uporządkowanie sposobu, w jaki mózg pozyskuje informacje i przechowuje wspomnienia, jest jednym z najważniejszych pytań w neuronauce. Chociaż mózg składa się z komórek, jak każdy inny narząd, różni się on pod jednym ważnym względem. Mózg nabył zdolność przyjmowania pewnych informacji pochodzących z zewnątrz, przechowywania ich i wykorzystywania, mówi. To naprawdę podstawowa cecha funkcjonowania mózgu.

Tonegawa zebrał znaczne środki w celu rozwiązania tego problemu, zakładając w 1994 r. Centrum Nauki i Pamięci (później nazwane Picower Institute) w MIT. Pełnił funkcję jego dyrektora do 2006 r. Do 1996 r. jego laboratorium pomogło opracować technikę wyłączania gen będący przedmiotem zainteresowania w określonych regionach mózgu i typach komórek, co umożliwia zbadanie z niespotykaną dotąd szczegółowością, w jaki sposób białka wytwarzane przez te geny wpływają na procesy poznawcze zwierząt. Niedawno laboratorium Tonegawy, podobnie jak wiele innych w neuronauce, zaczęło wykorzystywać nowe technologie, takie jak optogenetyka, które umożliwiają badanie połączonych sieci komórek w mózgu żywego zwierzęcia. Jest to ważny postęp, mówi, ponieważ pojedyncza pamięć jest tworzona ze wzoru połączeń między unikalnym podzbiorem komórek.

Technologie te pozwalają Tonegawie badać szczegóły formowania się pamięci. Wcześniejsze badania umożliwiły naukowcom zidentyfikowanie obszarów mózgu zaangażowanych ogólnie w tworzenie i przechowywanie pamięci. Jednak identyfikacja pojedynczego, unikalnego wspomnienia jest znacznie trudniejsza. Niemiecki zoolog Richard Semon ukuł termin engram na początku XX wieku, aby opisać fizyczną sygnaturę pojedynczej pamięci. Kiedy doświadczasz lub uczysz się nowych informacji, spekulował, niektóre komórki mózgowe zmieniają się, a kiedy później napotkasz podobny bodziec, te same komórki są reaktywowane, powodując przywołanie wspomnień.

Teoria ta była ignorowana przez dziesięciolecia, ale w ostatnich latach naukowcy poczynili postępy w poszukiwaniu fizycznych sygnatur określonych engramów pamięci w hipokampie. Wykazali na przykład, że usunięcie komórek mózgowych aktywnych podczas formowania się pamięci doprowadziło zwierzęta do zapomnienia tych informacji. Jednak, podobnie jak wszystkie taktyki, które opierają się na uszkodzeniu mózgu, to podejście jest ograniczone, mówi Sheena Josselyn, starszy naukowiec ze Szpitala dla Chorych Dzieci w Toronto. „Można zrobić wiele rzeczy, aby mysz czegoś nie pamiętała lub nie była w stanie wykonać zadania” – mówi. Nie ma tam konkretu.

Laboratorium wyleczyło objawy depresji u myszy poprzez sztuczną reaktywację szczęśliwych wspomnień. Te nowonarodzone komórki w hipokampie powstały w wyniku reaktywacji pamięci.

Aby lepiej zrozumieć ten proces, mówi Tonegawa, musieli być w stanie reaktywować pamięć, a nie tylko ją niszczyć. Przełom nastąpił w 2012 roku, kiedy członkowie laboratorium Xu Liu i dr Steve Ramirez ’15 opublikowali artykuł w Natura pokazując, że mogą wywołać u myszy określone wspomnienie.

Aby to zrobić, Liu i Ramirez (zwycięzca TR35 2013) połączyli i rozszerzyli dwie technologie opracowane w innych laboratoriach. Jednym z nich jest optogenetyka, która wprowadza światłoczułe białko do komórek, dzięki czemu można je aktywować światłem. Druga to technika oznaczania komórek mózgowych zaangażowanych w tworzenie pamięci. Liu i Ramirez trzymali myszy na doksycyklinie, która hamuje znakowanie; następnie odstawili myszy od leku na krótki okres czasu, aby mogły celować w komórki pamięci aktywne podczas określonego zdarzenia. Rezultat: komórki, które zidentyfikowali jako tworzące specyficzną pamięć – którą naukowcy nazywają komórkami engramów – mogą być później aktywowane światłem.

Liu i Ramirez wykorzystali tę technikę do oznaczenia komórek w hipokampie myszy, która doznała lekkiego wstrząsu stopy w klatce. Normalnie mysz powracająca do tej samej klatki zamarzłaby, unieruchomiona wspomnieniem swoich złych doświadczeń, ale zachowywałaby się jak zwykle po umieszczeniu w klatce, która nie kojarzyła się z szokiem. Jednak w tym przypadku naukowcy umieścili mysz w bezpiecznej klatce i dostarczyli impulsy świetlne przez maleńkie włókna, aby aktywować komórki engramowe w hipokampie. Zwierzę zamarło, jakby pamiętało szok w tym środowisku.

Ramirez, który jest obecnie głównym badaczem w Harvard’s Center for Brain Science, mówi, że on i Liu zainspirowali się filmem Początek i naprawdę zakochałem się w tym pomyśle stworzenia nowej lub fałszywej pamięci. (Liu zmarł w 2015 r., wkrótce po tym, jak został adiunktem na Northwestern University.) W kolejnym artykule oznaczyli komórki tworzące pamięć, gdy myszy badały normalną klatkę. Następnego dnia umieścili myszy w innej klatce i wywołali wstrząs stopy, jednocześnie aktywując oznaczone komórki. Kiedy myszy zostały ponownie umieszczone w bezpiecznej klatce, zamarły ze strachu, co sugeruje, że dano im fałszywe wspomnienie szoku w tej klatce.

Mocno naciskać

Tonegawa daje 40 członkom swojej grupy niezwykłą swobodę, autonomię i czas na uzyskanie właściwej odpowiedzi lub zaprojektowanie idealnego eksperymentu. Ramirez dzwoni do laboratorium, które rozciąga się na dwóch piętrach Instytutu Picower, jako plac zabaw dla nauki, dodając, że Tonegawa nie jest przywiązany do konkretnego dogmatu ani wyniku. Zachęca ludzi do śledzenia danych, mówi.

Tonegawa jest również znany z naciskania na członków swojego laboratorium. Absolwent Dheeraj Roy wspomina swoje podekscytowanie, gdy spotkał się z Tonegawą we wrześniu 2014 roku, aby pokazać najnowsze zebrane przez siebie dane. Roy badał, czy może przywrócić utracone wspomnienia u myszy ze stanem podobnym do wczesnej choroby Alzheimera. Starannie zmodyfikował technikę, którą opracowali Liu i Ramirez, aby działała na tych myszach, a jego dane wyglądały świetnie: aktywując komórki engramowe światłem, mógł sprawić, że myszy z chorobą Alzheimera przypomniały sobie wstrząs stopy w klatce kilka dni wcześniej, coś normalnie by zapomnieli.

Grupa Tonegawy zidentyfikowała komórki (pokazane na czerwono), w których w hipokampie myszy przechowywane są ślady pamięci. Badaczom udało się zasiać fałszywe wspomnienia poprzez reaktywację tych komórek.

Ale reakcja Tonegawy nie była dokładnie taka, na jaką liczył Roy. Po pierwszych dwóch minutach naszego spotkania już się ruszył, wspomina Roy. A jeśli istnieje sposób na trwałe przywrócenie pamięci, zastanawiał się, nie tylko wtedy, gdy paliło się światło? To był pomysł, o którym nigdy wcześniej nie rozmawiali, ale Roy podejrzewa, że ​​mógł to być w głowie Tonegawy przez cały czas.

To właśnie Roy nazywa słynnym „ale”.

Mówi: „Gdybyśmy tylko mogli przeprowadzić jeszcze jeden eksperyment”. Wszyscy słyszeliśmy to czterysta razy, mówi Roy. Nie powie ci ścieżki, ale wskaże linię mety.

Po tym spotkaniu zajęło kolejne 12 miesięcy eksperymentów, ale Roy odkrył, że połączenia między komórkami engramowymi były słabsze u myszy z niedoborem pamięci, i opracował protokół wielokrotnego pulsowania światła na komórkach, które powodowało wzmocnienie połączeń i pamięć. trwać nawet wtedy, gdy zgasło światło. Badania, opublikowane na początku tego roku, nie tylko wykazały, że wspomnienia utrzymują się u chorych myszy; zaproponował nową koncepcję przywracania pamięci w chorobie neurodegeneracyjnej.

Inne badania w laboratorium Tonegawy dotyczyły roli komórek engramów w normalnym zachowaniu, a także w chorobie. Ramirez i Liu przeprowadzili badanie, które wykazało, że mogą wyeliminować zachowania przypominające depresję u myszy narażonych na przewlekły stres poprzez reaktywację komórek engramów związanych z wcześniejszym pozytywnym doświadczeniem. Badania prowadzone przez Rogera Redondo, ówczesnego doktora i doktoranta Joshuę Kima, miały na celu zbadanie, czy można odwrócić postrzeganie pamięci jako negatywnej lub pozytywnej. A ostatnie badania w Science zidentyfikowały obszar hipokampu zaangażowany w zapamiętywanie interakcji społecznych. Kiedy Teruhiro Okuyama pracował z myszami, aby aktywować komórki engramowe związane ze wspomnieniem spotkania z inną myszą, zwierzę zareagowało tak, jakby nowa mysz była znajoma.

Badania te zafascynowały opinię publiczną sugestią, że nasza pamięć jest plastyczna, ale Tonegawa wskazuje, że przełożenie eksperymentów na gryzoniach na wyniki ludzi jest wciąż odległe. Mamy nadzieję, że to, co robimy z badaniami na zwierzętach, przyda się w przyszłej terapii, mówi. Jednak bezpieczne stymulowanie ludzkich komórek i obwodów mózgowych z taką precyzją nadal nie jest możliwe.

Zamiast tego koncentruje się na kilku pytaniach, które wyłoniły się z tych badań. Bada związek między hipokampem a innymi obszarami mózgu, kontynuując odkrywanie roli emocji w pamięci i badając, w jaki sposób zapamiętujemy sekwencje przeszłych wydarzeń.

Tonegawa, który kieruje RIKEN-MIT Center for Neural Circuit Genetics i RIKEN Brain Science Institute w Japonii, ostatnio zmniejszył rozmiar swojego laboratorium i mówi, że może prowadzić mniej projektów eksploracyjnych, które często prowadzą jego badania w nowych kierunkach. Jego zainteresowania zawęziły się, jak mówi, w następstwie osobistej tragedii: samobójstwa syna Satto, studenta MIT, w 2011 roku. Jednak ciągłe skupienie się na pracy naukowej pomogło mu poradzić sobie ze smutkiem.

Dopóki żyję i mam energię, chciałbym kontynuować, mówi, ale dodaje ze śmiechem: Myślę, że pozostanę w pamięci.

Uwaga: ta historia została zmodyfikowana 16 listopada 2016 r.

ukryć