Articles

Hogyan keletkeznek az emberi emlékek

Mi az emlékezet? 1904-ben Richard Semon német biológus előállt azzal az ötlettel, hogy az emléknyomot az agysejtek egy különálló csoportjának összekapcsolódása tartja össze. Ezt a képzeletbeli fizikai áramkört nevezte el engrammnak. Az engramok a tudományos fantasztikumban és a szcientológiában is erőteljes életet éltek.

De ami az agyban való létezésük bizonyítását illeti, ez még váratott magára a fényvezérelt csipeszek kifejlesztéséig, amelyekkel a finom áramköröket fel lehetett volna boncolni. Ezeket az úgynevezett “optogenetikai” csipeszeket alkalmazva 2012-ben Susumu Tonegawa laboratóriuma az MIT-n először mutatta ki, hogy az engramm létezik.

Most a Science-ben tavaly áprilisban megjelent tanulmányban ugyanez a csoport feltárta annak részleteit, hogyan keletkeznek az engramok az agy egyik részében, a hippokampuszban, majd hogyan töltődnek fel tárolásra az agykéregbe, a legkülső rétegbe.

A memóriatárolás ezen részleteinek feltárása megnyitja az utat ahhoz, hogy új módszereket találjunk a memória finomhangolására, akár akkor, ha az nem működik, akár akkor, ha hiperaktívvá válik.

Az első kísérleti bizonyíték arra, hogy az emberi emlékek hogyan képződnek és tárolódnak, mindössze 1953-ig nyúlik vissza.

“Ez a tanulmány elvileg megmutatja, hogyan kezelhetnénk ezeket a PTSD-ben túlműködővé váló sejteket” – mondja Pankaj Sah, a Queenslandi Agykutató Intézet igazgatója. “Bizonyos szempontból meglepő, hogy ezek a nagyon teljes emlékek ennyire diszkrétek lehetnek.”

Az első kísérleti bizonyíték arra, hogy az emberi emlékek hogyan alakulnak ki és tárolódnak, mindössze 1953-ig nyúlik vissza. Ekkor távolították el a 27 éves amerikai Henry Molaison hippokampuszát, hogy gyógyítsák a rohamait. Sebészei rémületére a műtét az új emlékek létrehozásának képességét is elpusztította. A régi emlékei azonban rendben voltak.

A nem szándékos kísérlet során kiderült, hogy a hippokampuszra szükség van az új emlékek szövéséhez – különösen a mindennap keletkező, kontextusban gazdag “epizodikus” emlékekhez, például ahhoz, hogy mit látott, amikor ma reggel a kutyáját sétáltatta a parkban.

Ezek a részletes emlékek azonban nem a hippokampuszban tárolódnak. Idővel átkerülnek az agy külső burkába – a kéregbe. Ezt azoktól a betegektől tudjuk, akik, amikor agyuk ezen részeit elektromosan stimulálják, felidéznek bizonyos emlékeket. {%recommended 4923%}

Ezeknek az emlékeknek a feltöltése általában az információ tömörítésével jár, valahogy úgy, ahogyan a számítógépes fájlokat tömörítjük hosszú távú tárolás céljából. Úgy vélték továbbá, hogy ez több napon keresztül zajlik.

Ez a durva szemcsés kép nagyjából így állt egészen öt évvel ezelőttig. Ekkor Tonegawa laboratóriuma, a japán RIKEN Agytudományi Intézet és az MIT együttműködése, az optogenetika néven ismert legmodernebb technológia alkalmazásával néhány majdnem mitikus elképzelést a gyakorlatba ültetett. Az egyik ötlet a Semon-encogram volt. Szerinte egy emlék fizikai nyomot hagy az agyban; és az agy, ha stimulálják, újra lejátssza az emléket.

Semon évtizedekkel azelőtt javasolta ezt az elképzelést, hogy a kutatók megértették volna, hogy a neuronok elektromos impulzusokon keresztül küldenek jeleket. A kutatók azóta dekódolták a neuronok között zajló elektromos jelátvitel nagy részét; és kimutatták, hogy a tanulás és a memória hogyan felel meg az egyes neuronok közötti kapcsolatok, vagyis a szinapszisok megerősödésének.

Mégis senkinek sem sikerült az agyban lévő neuronok egy adott együttesét egy adott emlékhez rendelni. 1999-ben Francis Crick Nobel-díjas tudós, aki tehetségét az agy rejtelmeinek megfejtésére fordította, azt találta ki, hogy az előrelépés érdekében fényimpulzusokat lehetne alkalmazni az egyes neuronok aktiválására egy élő állatban.

“Ez meglehetősen erőltetettnek tűnik” – írta – “de elképzelhető, hogy a molekuláris biológusok egy bizonyos sejttípust úgy tudnának kialakítani, hogy érzékeny legyen a fényre”. Mindössze hat évvel később Edward Boyden és Karl Deisseroth stanfordi idegtudósok – saját maguk legnagyobb meglepetésére – az optogenetika területén végzett úttörő munkájukkal ezt valósággá tették. Egy zöld algák által használt fénykapcsolót – a channelrhodopsin fehérjét – használták fel.

A kék fény hatására a fehérje kinyit egy pórust, ami lehetővé teszi a pozitív töltésű ionok átáramlását a sejtmembránon. Ez az áramáramlás jelzi az algasejt túlsó végén lévő flagelláknak, hogy verjenek, és a fény felé mozdítsák a sejtet.

A kutatók rájöttek, hogy egyetlen channelrhodopsin gént tudnak beilleszteni az egyes idegsejtekbe úgy, hogy egy fertőző vírust használnak futárként. Azt is biztosították, hogy csak azok a sejtek termeljék a fénykapcsoló gént, amelyek nemrégiben memóriát hoztak létre; a memóriát létrehozó sejtek egy c-fos nevű fehérjét termelnek, így a gént úgy alakították ki, hogy csak a c-fos-t termelő sejtekben termelődjön.

2012-ben Tonegawa csoportja ezt az optogenetikai technikát használta a félelem engram létezésének bizonyítására. Egy egeret egy dobozba helyeztek, amely jellegzetes falmintákkal és padlótextúrával rendelkezett. Valahányszor ebbe a dobozba helyezték, áramütést kapott. Ezt követően már az is elég volt, ha csak az áramütéses dobozba helyezték, hogy megrémüljön.

A kutatók a hippokampuszban a fénykapcsolót aktívan végző sejtek egy csoportját is azonosították, a füstölgő pisztoly azt jelezte, hogy ezek a sejtek részt vettek egy emlék létrehozásában.

Azért, hogy ezt bebizonyítsák, a tudósok ezután egy optikai szálat vezettek az agyon keresztül a hippokampuszba, hogy megcélozzák ezeket a sejteket. Amikor a hippokampuszt ritmikusan villogó kék fénnyel megvilágították, az egér lefagyott, mintha újra átélné a sokkoló dobozba helyezés emlékét. Ez volt az első bizonyíték az engramra – néhány száz sejt gyűjteményére, amelyek ingerlés hatására újra lejátszották az emléket.

Ebben az új vizsgálatban a kutatók azt akarták látni, hogy mi történik a hippokampusz engrammal az egerekben az idő múlásával. Más tanulmányok azt sugallták, hogy az agykéreg egy bizonyos kis foltja – a prefrontális kéreg – az, ahol a félelmi emlékek tárolódni látszanak. A kutatók tehát megfertőzték a prefrontális kéreg sejtjeit a fénykapcsolót tartalmazó vírussal.

A kutatók valami furcsát találtak. Mint korábban, miután az egerek megtanultak félni a sokkoló szobától, az emléket újra le tudták játszani úgy, hogy fényvillanásokat irányítottak a hippokampuszra. A meglepetés az volt, hogy a memóriát a prefrontális kéreg sejtjeire villogó fényekkel is elő lehetett idézni. Úgy tűnt tehát, hogy az engram egyidejűleg a prefrontális kéregbe is feltöltődött. “Ez azért volt meglepő” – jegyzi meg Tonegawa – “mert azt jelezte, hogy az agykérgi memória valószínűleg már az első napon létrejött, és nem fokozatosan, ahogyan azt eddig feltételezték.”

Amikor azonban az egereket a sokkos szobába helyezték, és az emlékre ránéztek, a prefrontális kéreg ugyanezek a sejtjei elhallgattak (amit az izolált agyszövetben végzett kémiai aktivitás ellenőrzése bizonyított). Csak néhány héttel az élmény után tüzeltek a prefrontális kéreg sejtjei, amikor az egeret a sokkolószobába helyezték. Ezzel szemben a hippokampuszban lévő engram kezdett elhalványulni.”

A hosszú távú memóriatárolásnál tehát először a prefrontális kéregben készül egy néma másolat; csak fokozatosan szilárdul meg, miközben a hippokampuszban lévő engram törlődik. Hogy pontosan mi is ez a hosszú távú cement, azt azonban még meg kell határozni – mondja Takashi Kitamura, a tanulmány első szerzője.

Az emlék bebetonozásának másik kulcsa az volt, hogy a prefrontális kéregnek mind a hippokampuszból, mind az amygdalából, az agy érzelmi központjából bevitelt kellett kapnia. Amikor a kutatók blokkolták a neuronális bemeneteket bármelyikből (ismét fénykapcsolók alkalmazásával), az agykéreg memóriája nem tudott megszilárdulni.

Hogyan segíthet ez az információ az embereknek? Bár fénykapcsolókat nem tudunk beültetni, mégis lehetséges az agy egyes régióit be- vagy kikapcsolni finom elektródák beültetésével, a mély agyi stimulációnak nevezett technikával, amelyet már alkalmaznak olyan betegségek kezelésére, mint a Parkinson-kór. Kitamura úgy képzeli, hogy egy napon hasonló technikát lehet majd alkalmazni az agyban lévő engrammok manipulálására. “De előbb fel kell térképeznünk őket egereken.”

Az e terület rohamos ütemű fejlődését tekintve, az engramjaink manipulálásának korszaka talán már nincs is olyan messze.