Articles

Miten ihmisen muistot syntyvät

Mikä on muisti? Vuonna 1904 saksalainen biologi Richard Semon keksi ajatuksen muistijäljestä, jota pitää koossa erillisten aivosoluryhmien yhteys. Hän nimesi tuon kuvitteellisen fyysisen piirin engrammiksi. Engrammeilla oli jatkossa vankka elämä tieteiskirjallisuudessa ja skientologiassa.

Mutta mitä tulee niiden olemassaolon todistamiseen aivoissa, se jäi odottamaan valolla aktivoitujen pinsettien kehittämistä hienojen virtapiirien irrottamiseksi. Käyttämällä näitä niin sanottuja “optogeneettisiä” pinsettejä vuonna 2012 Susumu Tonegawan laboratorio MIT:ssä osoitti ensimmäisen kerran, että engrammi on todellinen.

Nyt viime huhtikuussa Science-lehdessä julkaistussa artikkelissa sama ryhmä on paljastanut yksityiskohtia siitä, miten engrammeja luodaan aivojen yhdessä osassa, hippokampuksessa, ja ladataan sitten tallennettavaksi aivokuorelle, joka on aivokuori, joka on aivojen uloin kerros.

Näiden muistin tallentumisen yksityiskohtien selvittäminen avaa mahdollisuuden löytää uusia tapoja virittää muistia joko silloin, kun se ei toimi tai kun siitä tulee hyperaktiivinen.

Ensimmäiset kokeelliset todisteet siitä, miten ihmisen muistot muodostuvat ja tallentuvat, ovat peräisin vasta vuodelta 1953.

“Periaatteessa tämä tutkimus osoittaa, miten voisimme hoitaa näitä soluja, jotka muuttuvat yliaktiivisiksi PTSD:ssä”, sanoo Queenslandin aivoinstituutin johtaja Pankaj Sah. “Tavallaan on yllätys, että nämä hyvin täydelliset muistot voivat olla niin erillisiä.”

Ensimmäiset kokeelliset todisteet siitä, miten ihmisen muistot muodostuvat ja tallentuvat, ovat peräisin juuri vuodelta 1953. Silloin 27-vuotiaalta amerikkalaiselta Henry Molaisonilta poistettiin hippokampukset keinona parantaa hänen kohtauksiaan. Kirurgien kauhuksi leikkaus tuhosi myös hänen kykynsä luoda uusia muistoja. Hänen vanhat muistinsa olivat kuitenkin kunnossa.

Tämä tahaton koe paljasti, että hippokampusta tarvitaan uusien muistojen kutomiseen – erityisesti kontekstirikkaiden “episodisten” muistojen, joita tehdään joka päivä, kuten mitä näit, kun ulkoilutit koiraasi puistossa tänä aamuna.

Näitä yksityiskohtaisia muistoja ei kuitenkaan tallenneta hippokampukseen. Ajan myötä ne siirtyvät aivojen ulkokuoreen eli aivokuoreen. Tiedämme tämän potilaista, jotka muistavat tiettyjä muistoja, kun heidän aivojensa näitä osia on stimuloitu sähköisesti. {%recommended 4923%}

Näiden muistojen lataaminen edellyttää yleensä tiedon pakkaamista, vähän samaan tapaan kuin me pakkaamme tietokonetiedostoja pitkäaikaissäilytystä varten. Sen uskottiin myös tapahtuvan useiden päivien aikana.

Tämä karkearakeinen kuva oli pitkälti se, miten asiat olivat viisi vuotta sitten. Silloin Tonegawan laboratorio, joka on Japanin RIKENin aivotutkimusinstituutin ja MIT:n välinen yhteistyö, pelkisti pari lähes myyttistä ajatusta käytäntöön käyttämällä optogenetiikaksi kutsuttua huipputeknologiaa. Yksi ideoista oli Semonin engrammi. Hänen mukaansa muisti jättää fyysisen jäljen aivoihin, ja kun aivoja stimuloidaan, ne toistavat muiston.

Semon esitti tämän ajatuksen vuosikymmeniä ennen kuin tutkijat ymmärsivät, että neuronit lähettävät signaaleja sähköimpulssien välityksellä. Tutkijat ovat sittemmin purkaneet suuren osan neuronien välillä kulkevasta sähköisestä signaloinnista ja osoittaneet, miten oppiminen ja muisti vastaavat yksittäisten neuronien välisten yhteyksien eli synapsien vahvistumista.

Mutta kukaan ei ollut koskaan kyennyt yhdistämään tiettyä aivojen neuronikokonaisuutta tiettyyn muistiin. Vuonna 1999 Francis Crick, Nobel-palkinnon voittaja, joka käänsi kykynsä aivojen salaisuuksien selvittämiseen, pohdiskeli, että edistyksen aikaansaamiseksi voitaisiin käyttää valopulsseja yksittäisten neuronien aktivoimiseksi elävässä eläimessä.

“Tämä vaikuttaa melko kaukaa haetulta”, hän kirjoitti, “mutta on ajateltavissa, että molekyylibiologit voisivat kehittää tietyn solutyypin herkäksi valolle.” Vain kuusi vuotta myöhemmin Stanfordin neurotieteilijät Edward Boyden ja Karl Deisseroth tekivät siitä omaksi yllätyksekseen todellisuutta optogenetiikan pioneerityöllään. He ottivat käyttöön vihreiden levien käyttämän valokytkimen – kanavarhodopsiiniproteiinin.

Kun proteiini saa sinistä valoa, se avaa huokosen, jolloin positiivisesti varautuneet ionit pääsevät virtaamaan solukalvon läpi. Tämä virran virtaus antaa signaalin leväsolun vastakkaisessa päässä oleville lippulangoille, jotka lyövät sitä kohti valoa.

Tutkijat havaitsivat, että he voivat lisätä yksittäisen kanavarhodopsiinigeenin yksittäisiin hermosoluihin käyttämällä kuriirina tartuntavirusta. He myös varmistivat, että vain solut, jotka olivat hiljattain tehneet muistin, tuottivat valokytkingeenin; muistia tuottavat solut tuottavat c-fos-nimistä proteiinia, joten geeni muokattiin siten, että sitä tuotetaan vain c-fos:ia tuottavissa soluissa.

Vuonna 2012 Tonegawan ryhmä käytti tätä optogeneettistä tekniikkaa osoittaakseen pelon engrammin olemassaolon. Hiiri asetettiin laatikkoon, jossa oli erottuvia seinäkuvioita ja lattiarakenteita. Aina kun se asetettiin kyseiseen laatikkoon, se sai sähköiskun. Myöhemmin pelkkä shokkilaatikkoon laittaminen riitti saamaan sen kammoksumaan.

Tutkijat myös tunnistivat hippokampuksessa ryhmän soluja, jotka tekivät aktiivisesti valokatkaisua, mikä oli savuava ase, joka osoitti, että nämä solut olivat osallistuneet muistin tekemiseen.

Todistaakseen, että näin oli, tutkijat sitten pujottivat optisen kuidun aivojen läpi hippokampukseen kohdistaakseen sen näihin soluihin. Kun he rytmittivät hippokampusta rytmikkäillä sinisen valon välähdyksillä, hiiri jähmettyi ikään kuin eläisi uudelleen muiston siitä, kun se oli joutunut shokkilaatikkoon. Se oli ensimmäinen todiste engrammista – muutaman sadan solun kokoelmasta, joka stimuloitaessa toisti muiston.

Tässä uudessa tutkimuksessa tutkijat halusivat nähdä, mitä hiirten hippokampuksen engrammille tapahtui ajan myötä. Muissa tutkimuksissa oli esitetty, että pelkomuistot näyttivät tallentuvan tiettyyn pieneen aivokuoren osaan – prefrontaaliseen aivokuoreen. Niinpä tutkijat tartuttivat prefrontaalisen aivokuoren solut valokatkaisijan sisältävällä viruksella.

He havaitsivat jotain kummallista. Kuten aiemminkin, kun hiiret olivat oppineet pelkäämään shokkihuonetta, muisti voitiin toistaa suuntaamalla valon välähdyksiä hippokampukseen. Yllätys oli, että muisti voitiin herättää myös vilkuttamalla valoja prefrontaalisen aivokuoren soluihin. Näytti siis siltä, että engrammi ladattiin samanaikaisesti prefrontaaliselle aivokuorelle. “Tämä oli yllättävää”, toteaa Tonegawa, “koska se osoitti, että aivokuoren muisti luotiin todennäköisesti heti ensimmäisenä päivänä, eikä vähitellen, kuten on oletettu.”

Mutta kun hiiret asetettiin shokkihuoneeseen, jossa ne ryöpyttelivät muistia, nuo samat prefrontaalisen aivokuoren solut vaikenivat (kuten osoitti kemiallisen aktiivisuuden tarkistaminen eristetystä aivokudoksesta). Vasta pari viikkoa kokemuksen jälkeen prefrontaalisen aivokuoren solut laukesivat, kun hiiri asetettiin shokkihuoneeseen. Sitä vastoin hippokampuksessa oleva engrammi alkoi häipyä.

Pitkäkestoisen muistin tallentuessa syntyy siis ensin hiljainen kopio prefrontaalisessa aivokuoressa; vasta vähitellen se sementoituu, kun taas hippokampuksessa oleva engrammi häviää. Se, mitä tuo pitkäaikainen sementti on, on kuitenkin vielä selvittämättä, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Takashi Kitamura.

Toinen avain muistin sementoitumiseen oli se, että prefrontaalisen aivokuoren oli saatava syötteitä sekä hippokampuksesta että amygdalasta, aivojen tunnekeskuksesta. Kun tutkijat estivät neuronaaliset syötteet kummastakin (jälleen käyttämällä valokytkimiä), aivokuoren muisti ei sementoitunut.

Miten tämä tieto voisi auttaa ihmisiä? Vaikka emme voi istuttaa valokatkaisijoita, on kuitenkin mahdollista kytkeä tietyt aivoalueet päälle tai pois päältä istuttamalla hienoja elektrodeja käyttäen tekniikkaa, jota kutsutaan syväaivostimulaatioksi ja jota käytetään jo Parkinsonin taudin kaltaisten sairauksien hoitoon. Kitamura kuvittelee, että jonain päivänä on mahdollista käyttää samanlaista tekniikkaa aivoissa olevien engrammien manipuloimiseksi. “Mutta ensin meidän on kartoitettava ne hiirillä.”

Kun otetaan huomioon alan huima vauhti, ei engrammiemme manipuloinnin aikakausi ehkä olekaan enää kovin kaukana.