Articles

Jak vznikají lidské vzpomínky

Co je to vzpomínka? V roce 1904 přišel německý biolog Richard Semon s myšlenkou paměťové stopy, kterou drží pohromadě spojení diskrétní skupiny mozkových buněk. Tento pomyslný fyzický obvod nazval engram. Engramy pak žily dlouhý život ve sci-fi a scientologii.

Ale pokud jde o prokázání jejich existence v mozku, muselo se počkat na vývoj pinzety aktivované světlem, která by umožnila rozřezat jemné obvody. Za použití těchto takzvaných “optogenetických” pinzet v roce 2012 laboratoř Susumu Tonegawy z MIT poprvé prokázala, že engram je skutečný.

Nyní v článku publikovaném v časopise Science v dubnu loňského roku stejná skupina odhalila podrobnosti o tom, jak se engramy vytvářejí v jedné části mozku, v hipokampu, a poté se nahrávají k uložení do kůry, nejvzdálenější vrstvy.

Odhalení těchto detailů ukládání paměti otevírá dveře k nalezení nových způsobů, jak paměť upravit, buď když selhává, nebo se stává hyperaktivní.

První experimentální důkaz o tom, jak se tvoří a ukládají lidské vzpomínky, pochází právě z roku 1953.

“Tato studie v zásadě ukazuje, jak bychom mohli léčit tyto buňky, které se stávají hyperaktivními při posttraumatické stresové poruše,” říká Pankaj Sah, ředitel Queensland Brain Institute. “Svým způsobem je to překvapení, že tyto velmi úplné vzpomínky mohou být tak diskrétní.”

První experimentální důkazy o tom, jak se tvoří a ukládají lidské vzpomínky, sahají právě do roku 1953. Tehdy si 27letý Američan Henry Molaison nechal odstranit hipokampy jako prostředek k vyléčení svých záchvatů. Ke zděšení chirurgů tato operace zároveň zničila jeho schopnost vytvářet nové vzpomínky. Jeho staré vzpomínky však byly v pořádku.

Nechtěný experiment odhalil, že hipokampus je potřebný k utváření nových vzpomínek – zejména “epizodických” vzpomínek bohatých na kontext, které se vytvářejí každý den, například co jste viděli, když jste ráno venčili psa v parku.

Tyto detailní vzpomínky se však v hipokampu neukládají. Postupem času se přenášejí do vnějšího obalu mozku – mozkové kůry. Víme to od pacientů, kteří si po elektrické stimulaci těchto částí mozku vybavují konkrétní vzpomínky. {%recommended 4923%}

Nahrávání těchto vzpomínek obecně zahrnuje kompresi informací, podobně jako komprimujeme počítačové soubory pro dlouhodobé ukládání. Předpokládalo se také, že probíhá v průběhu několika dní.

Tento hrubý obrázek do značné míry odpovídal situaci ještě před pěti lety. Tehdy Tonegawova laboratoř, která vznikla ve spolupráci japonského institutu RIKEN Brain Science Institute a MIT, převedla několik téměř mýtických představ do praxe pomocí nejmodernější technologie známé jako optogenetika. Jednou z těchto myšlenek byl Semonův engram. Předpokládal, že vzpomínka zanechá v mozku fyzickou stopu; a mozek po stimulaci vzpomínku přehraje.

Semon tuto myšlenku navrhl desítky let předtím, než vědci pochopili, že neurony vysílají signály prostřednictvím elektrických impulsů. Od té doby vědci rozluštili většinu elektrických signálů, které procházejí mezi neurony, a ukázali, jak učení a paměť odpovídají posilování spojení neboli synapsí mezi jednotlivými neurony.

Nikdo však nikdy nebyl schopen přiřadit konkrétní soubor neuronů v mozku ke konkrétní vzpomínce. V roce 1999 Francis Crick, nositel Nobelovy ceny, který svůj talent zaměřil na odhalování záhad mozku, uvažoval o tom, že k dosažení pokroku by bylo možné použít světelné pulzy k aktivaci jednotlivých neuronů v živém zvířeti.

“Zdá se to poněkud přitažené za vlasy,” napsal, “ale je představitelné, že by molekulární biologové mohli zkonstruovat určitý typ buněk tak, aby byly citlivé na světlo.” O pouhých šest let později to stanfordští neurovědci Edward Boyden a Karl Deisseroth ke svému vlastnímu překvapení uskutečnili díky své průkopnické práci v oblasti optogenetiky. Využili světelný spínač používaný zelenými řasami – protein channelrhodopsin.

Při zásahu modrým světlem protein otevře pór a umožní kladně nabitým iontům proudit přes buněčnou membránu. Tento tok proudu signalizuje bičíkům na opačném konci řasové buňky, aby začaly bít a pohánět ji směrem ke světlu.

Výzkumníci zjistili, že mohou vložit jeden gen channelrhodopsinu do jednotlivých neuronů pomocí infikujícího viru jako kurýra. Zajistili také, aby gen pro přepínání světla produkovaly pouze buňky, které si nedávno vytvořily paměť; buňky vytvářející paměť produkují protein zvaný c-fos, takže gen byl upraven tak, aby se vytvářel pouze v buňkách produkujících c-fos.

V roce 2012 Tonegawova skupina použila tuto optogenetickou techniku k prokázání existence engramu strachu. Myš byla umístěna do krabice s výraznými vzory stěn a texturou podlahy. Kdykoli byla do této krabice umístěna, dostala elektrický šok. Následně jí stačilo pouhé umístění do krabice s elektrickým šokem, aby se rozplakala.

Výzkumníci také identifikovali skupinu buněk v hipokampu, které aktivně vytvářely světelný spínač, což je kouřící zbraň naznačující, že se tyto buňky podílely na vytváření vzpomínky.

Aby vědci dokázali, že tomu tak skutečně je, protáhli poté mozkem do hipokampu optické vlákno, aby se na tyto buňky zaměřili. Když do hipokampu pouštěli rytmické záblesky modrého světla, myš ztuhla, jako by znovu prožívala vzpomínku na umístění do šokové krabice. Byl to první důkaz existence engramu – souboru několika stovek buněk, které po stimulaci přehrávají vzpomínku.

V této nové studii chtěli vědci zjistit, co se s engramem hipokampu u myší děje v průběhu času. Jiné studie naznačovaly, že jde o určitý malý okrsek mozkové kůry – prefrontální kůru -, kde se zřejmě ukládají vzpomínky na strach. Vědci tedy infikovali buňky prefrontální kůry virem obsahujícím světelný spínač.

Zjistili něco zajímavého. Stejně jako dříve, jakmile se myši naučily bát se šokové místnosti, bylo možné tuto vzpomínku přehrát nasměrováním záblesků světla do hipokampu. Překvapením bylo, že vzpomínku bylo možné vyvolat také záblesky světla na buňky prefrontální kůry. Zdálo se tedy, že engram byl současně nahrán do prefrontální kůry. “To bylo překvapivé,” poznamenává Tonegawa, “protože to naznačovalo, že korová paměť se pravděpodobně vytvořila hned první den, a ne postupně, jak se předpokládalo.”

Když však byly myši umístěny do šokové místnosti a křičely na vzpomínku, tytéž buňky prefrontální kůry mlčely (což se prokázalo kontrolou chemické aktivity v izolované mozkové tkáni). Teprve několik týdnů po tomto zážitku buňky prefrontální kůry vystřelily, když byla myš umístěna do šokové místnosti. Naopak engram v hipokampu začal slábnout.

Při ukládání dlouhodobé paměti se tedy nejprve vytvoří tichá kopie v prefrontální kůře; teprve postupně se upevňuje, zatímco hipokampální engram se vymazává. Co přesně je oním dlouhodobým tmelem, je však třeba ještě zjistit, říká Takaši Kitamura, první autor článku.

Dalším klíčem k upevnění paměti bylo, že prefrontální kůra potřebovala dostávat vstupy jak z hipokampu, tak z amygdaly, emočního centra mozku. Když výzkumníci zablokovali neuronální vstupy z obou (opět s využitím světelných spínačů), paměť v kůře se nepodařilo upevnit.

Jak by tato informace mohla pomoci lidem? I když nemůžeme implantovat světelné spínače, je nicméně možné zapnout nebo vypnout určité oblasti mozku implantací jemných elektrod pomocí techniky známé jako hluboká mozková stimulace, která se již používá k léčbě poruch, jako je Parkinsonova choroba. Kitamura si představuje, že jednou bude možné podobnou technikou manipulovat s engramy v mozku. “Nejprve je však musíme zmapovat na myších.”

Vzhledem k závratné rychlosti, jakou tento obor postupuje, nemusí být éra manipulace s našimi engramy tak daleko.