Articles

Jak powstają ludzkie wspomnienia

Co to jest pamięć? W 1904 roku niemiecki biolog Richard Semon wpadł na pomysł śladu pamięciowego utrzymywanego razem przez połączenie dyskretnej grupy komórek mózgowych. Nazwał ten wyimaginowany fizyczny obwód engramem. Engramy poszły dalej, aby mieć solidne życie w science fiction i scjentologii.

Ale jeśli chodzi o udowodnienie ich istnienia w mózgu, to musiało czekać na rozwój aktywowanych światłem pincet, aby wyodrębnić drobne obwody. Zatrudniając te tak zwane “optogenetyczne” pęsety w 2012 roku, laboratorium Susumu Tonegawy z MIT po raz pierwszy pokazało, że engram jest prawdziwy.

Teraz w artykule opublikowanym w Science w kwietniu ubiegłego roku, ta sama grupa ujawniła szczegóły tego, jak engramy są tworzone w jednej części mózgu, hipokampie, a następnie przesyłane do przechowywania w korze, najbardziej zewnętrznej warstwie.

Unpicking te szczegóły przechowywania pamięci otwiera drzwi do znalezienia nowych sposobów, aby podrasować pamięć albo kiedy zawodzi lub staje się nadaktywny.

Pierwsze eksperymentalne dowody na to, jak ludzkie wspomnienia są formowane i przechowywane, sięgają zaledwie 1953 roku.

“W zasadzie to badanie pokazuje, jak możemy leczyć te komórki, które stają się nadaktywne w PTSD”, mówi Pankaj Sah, dyrektor Queensland Brain Institute. “W pewnym sensie jest to niespodzianka, aby znaleźć te bardzo kompletne wspomnienia mogą być tak dyskretne.”

Pierwsze eksperymentalne dowody na to, jak ludzkie wspomnienia są tworzone i przechowywane sięga zaledwie 1953 roku. Wtedy to 27-letni Amerykanin Henry Molaison miał usunięte hipokampy, co miało być sposobem na wyleczenie jego napadów. Ku przerażeniu chirurgów, operacja ta zniszczyła również jego zdolność do tworzenia nowych wspomnień. Jednak jego stare wspomnienia były w porządku.

Niezamierzony eksperyment ujawnił, że hipokamp jest potrzebny do tworzenia nowych wspomnień – szczególnie bogatych w kontekst “epizodycznych” wspomnień tworzonych każdego dnia, takich jak to, co widziałeś podczas porannego spaceru z psem w parku.

Te szczegółowe wspomnienia nie są jednak przechowywane w hipokampie. Z czasem są one przenoszone do zewnętrznej powłoki mózgu – kory mózgowej. Wiemy to od pacjentów, którzy, gdy te części ich mózgu zostały elektrycznie pobudzone, przywołują konkretne wspomnienia. {%rekomendowany 4923%}

Przesyłanie tych wspomnień generalnie wiąże się z kompresją informacji, trochę jak sposób, w jaki kompresujemy pliki komputerowe do długotrwałego przechowywania. Uważano również, że odbywa się to w ciągu kilku dni.

Ten gruboziarnisty obraz był w dużej mierze tym, jak sprawy wyglądały aż do pięciu lat temu. Wtedy to laboratorium Tonegawy, współpracujące z japońskim RIKEN Brain Science Institute i MIT, zredukowało kilka niemal mitycznych pomysłów do praktyki, wykorzystując najnowocześniejszą technologię zwaną optogenetyką. Jednym z tych pomysłów był engram Semona. Pamięć, jak twierdził, pozostawia fizyczny ślad w mózgu, a mózg, gdy jest stymulowany, odtwarza pamięć.

Semon zaproponował ten pomysł dziesiątki lat przed tym, jak badacze zrozumieli, że neurony wysyłają sygnały za pomocą impulsów elektrycznych. Naukowcy od tego czasu rozszyfrowali znaczną część sygnalizacji elektrycznej, która przechodzi między neuronami; i pokazali, jak uczenie się i pamięć odpowiadają wzmocnieniu połączeń, lub synaps, między poszczególnymi neuronami.

Jeszcze nikt nigdy nie był w stanie dopasować konkretnego zespołu neuronów w mózgu do konkretnego wspomnienia. W 1999 roku Francis Crick, laureat nagrody Nobla, który zwrócił swoje talenty ku rozpakowywaniu tajemnic mózgu, wymyślił, że aby osiągnąć postęp, można by zastosować impulsy światła do aktywacji poszczególnych neuronów u żywego zwierzęcia.

“Wydaje się to dość odległe,” napisał, “ale można sobie wyobrazić, że biolodzy molekularni mogliby zaprojektować konkretny typ komórek, aby były wrażliwe na światło.” Zaledwie sześć lat później neurobiolodzy ze Stanford Edward Boyden i Karl Deisseroth, ku własnemu zaskoczeniu, urzeczywistnili to dzięki pionierskiej pracy w optogenetyce. Wykorzystali oni przełącznik światła używany przez zielone algi – białko channelrhodopsin.

Gdy zapped przez niebieskie światło, białko otwiera pory, pozwalając dodatnio naładowane jony do przepływu przez błonę komórkową. Ten przepływ prądu sygnalizuje flagella na przeciwległym końcu komórki glonów do bicia, napędzając go w kierunku światła.

Badacze odkryli, że mogą wstawić pojedynczy gen channelrhodopsin do poszczególnych neuronów za pomocą wirusa infekującego jako kuriera. Upewnili się również, że tylko komórki, które niedawno wytworzyły pamięć, produkują gen przełącznika światła; komórki wytwarzające pamięć produkują białko zwane c-fos, więc gen został zaprojektowany tak, aby był wytwarzany tylko w komórkach wytwarzających c-fos.

W 2012 roku grupa Tonegawy wykorzystała tę technikę optogenetyczną do wykazania istnienia engramu strachu. Mysz została umieszczona w pudełku z charakterystycznymi wzorami ścian i fakturą podłogi. Za każdym razem, gdy umieszczano ją w tym pudełku, otrzymywała wstrząs elektryczny. Następnie samo umieszczenie jej w pudełku szokowym wystarczyło, aby się skrzywiła.

Badacze zidentyfikowali również grupę komórek w hipokampie aktywnie wykonujących przełącznik światła, palący pistolet wskazujący, że komórki te były zaangażowane w tworzenie pamięci.

Aby udowodnić, że tak właśnie było, naukowcy przewlekli światłowód przez mózg do hipokampa, aby namierzyć te komórki. Kiedy zapped hipokampa z rytmicznych błysków niebieskiego światła, mysz zamarzła, jakby były przeżywając pamięć o umieszczeniu w pudełku szoku. To był pierwszy dowód na engram – zbiór kilkuset komórek, które, gdy stymulowane, odtwarzane pamięci.

W tym nowym badaniu, naukowcy chcieli zobaczyć, co się stało z hipokampa engram w myszy w czasie. Inne badania sugerowały, że jest to szczególna, mała część kory mózgowej – kora przedczołowa – gdzie wspomnienia strachu okazały się być przechowywane. Badacze zainfekowali więc komórki kory przedczołowej wirusem zawierającym przełącznik światła.

Znaleźli coś ciekawego. Tak jak poprzednio, gdy myszy nauczyły się bać pokoju szokowego, pamięć można było odtworzyć, kierując błyski światła na hipokamp. Niespodzianką było to, że wspomnienie można było również sprowokować błyskami światła na komórki kory przedczołowej. Tak więc engram, jak się wydaje, został jednocześnie załadowany do kory przedczołowej. “To było zaskakujące,” zauważa Tonegawa, “ponieważ wskazywało, że pamięć korowa została prawdopodobnie stworzona już pierwszego dnia, a nie stopniowo, jak zakładano.”

Jednakże, gdy myszy umieszczono w pokoju szokowym, kuląc się na wspomnienie, te same komórki kory przedczołowej milczały (co udowodniono sprawdzając aktywność chemiczną w wyizolowanej tkance mózgowej). Dopiero po kilku tygodniach od doświadczenia komórki kory przedczołowej strzelały, gdy mysz była umieszczana w pokoju szokowym. I odwrotnie, engram w hipokampie zaczął zanikać.

Więc jeśli chodzi o przechowywanie pamięci długotrwałej, najpierw powstaje cicha kopia w korze przedczołowej; tylko stopniowo staje się ona utrwalona, podczas gdy engram hipokampa zostaje wymazany. Tylko co to jest ten długoterminowy cement, choć, pozostaje do ustalenia, mówi Takashi Kitamura, pierwszy autor papieru.

Innym kluczem do cementowania pamięci było to, że kora przedczołowa musi dostać wejścia z obu hipokampa i amygdala, emocjonalne centrum mózgu. Kiedy badacze zablokowali neuronalne wejścia z jednego z nich (ponownie zatrudniając przełączniki światła), pamięć kory nie udało się cementować.

Jak ta informacja może pomóc ludziom? Chociaż nie możemy wszczepić przełączników światła, możliwe jest jednak włączanie lub wyłączanie poszczególnych regionów mózgu poprzez wszczepianie cienkich elektrod przy użyciu techniki znanej jako głęboka stymulacja mózgu, stosowanej już w leczeniu takich zaburzeń jak choroba Parkinsona. Kitamura wyobraża sobie, że pewnego dnia możliwe będzie wykorzystanie podobnej techniki do manipulowania engramami w mózgu. “Ale najpierw musimy je zmapować u myszy.”

Biorąc pod uwagę karkołomne tempo, w jakim postępuje ta dziedzina, era manipulowania naszymi engramami może nie być aż tak odległa.