Articles

Cum se formează amintirile umane

Ce este o memorie? În 1904, biologul german Richard Semon a venit cu ideea unei urme de memorie ținută împreună prin conectarea unui grup discret de celule cerebrale. El a numit acest circuit fizic imaginar o engramă. Engramele au continuat să aibă o viață robustă în science-fiction și scientologie.

Dar în ceea ce privește dovedirea existenței lor în creier, aceasta a trebuit să aștepte dezvoltarea pensulelor activate de lumină pentru a diseca circuitele fine. Angajând aceste așa-numite pensete “optogenetice” în 2012, laboratorul lui Susumu Tonegawa de la MIT a arătat pentru prima dată că o engramă este reală.

Acum, într-o lucrare publicată în Science în aprilie anul trecut, același grup a dezvăluit detaliile despre modul în care engramele sunt create într-o parte a creierului, hipocampul, și apoi încărcate pentru a fi stocate în cortex, stratul cel mai exterior.

Descoperirea acestor detalii de stocare a memoriei deschide ușa pentru a găsi noi modalități de a modifica memoria fie atunci când aceasta eșuează, fie când devine hiperactivă.

Prima dovadă experimentală a modului în care se formează și se stochează amintirile umane datează de abia din 1953.

“În principiu, acest studiu arată cum am putea trata aceste celule care devin hiperactive în PTSD”, spune Pankaj Sah, director al Institutului Queensland Brain. “Într-un fel, este o surpriză să descoperim că aceste amintiri foarte complete pot fi atât de discrete.”

Prima dovadă experimentală a modului în care se formează și se stochează amintirile umane datează de abia din 1953. Atunci, americanului Henry Molaison, în vârstă de 27 de ani, i s-a extirpat hipocampul ca mijloc de vindecare a crizelor sale. Spre groaza chirurgilor săi, operația i-a distrus, de asemenea, capacitatea de a-și crea noi amintiri. Cu toate acestea, vechile sale amintiri erau în regulă.

Experimentul neintenționat a dezvăluit că hipocampul este necesar pentru a țese noi amintiri – în special amintirile “episodice” bogate în context, realizate în fiecare zi, cum ar fi ceea ce ați văzut când v-ați plimbat câinele în parc în această dimineață.

Aceste amintiri detaliate nu sunt stocate în hipocampus, totuși. În timp, ele sunt transferate în învelișul exterior al creierului – cortexul. Știm acest lucru de la pacienții care, atunci când aceste părți ale creierului lor au fost stimulate electric, își amintesc anumite amintiri. {%recomandat 4923%}

Încărcarea acestor amintiri implică, în general, comprimarea informațiilor, oarecum la fel ca modul în care comprimăm fișierele de calculator pentru stocarea pe termen lung. Se credea, de asemenea, că are loc pe parcursul mai multor zile.

Această imagine grosieră a fost, în mare parte, cum stăteau lucrurile până acum cinci ani. Atunci, laboratorul lui Tonegawa, o colaborare între RIKEN Brain Science Institute din Japonia și MIT, a redus în practică câteva idei aproape mitice, folosind o tehnologie de ultimă generație cunoscută sub numele de optogenetică. Una dintre aceste idei a fost cea a engramelor lui Semon. O amintire, a postulat el, ar lăsa o urmă fizică în creier; iar creierul, atunci când este stimulat, ar reda amintirea.

Semon a propus această idee cu zeci de ani înainte ca cercetătorii să înțeleagă că neuronii trimit semnale prin impulsuri electrice. De atunci, cercetătorii au decodificat o mare parte din semnalele electrice care trec între neuroni; și au arătat cum învățarea și memoria corespund întăririi conexiunilor, sau sinapselor, între neuronii individuali.

Și totuși, nimeni nu reușise vreodată să potrivească un anumit ansamblu de neuroni din creier cu o anumită memorie. În 1999, Francis Crick, un laureat al premiului Nobel care și-a îndreptat talentul spre deslușirea misterelor creierului, a meditat că, pentru a face progrese, ar putea fi folosite impulsuri de lumină pentru a activa neuroni individuali într-un animal viu.

“Acest lucru pare destul de îndepărtat”, a scris el, “dar este de conceput că biologii moleculari ar putea proiecta un anumit tip de celule pentru a fi sensibile la lumină”. Doar șase ani mai târziu, neuroștiințele de la Stanford, Edward Boyden și Karl Deisseroth, spre surprinderea lor, au transformat acest lucru în realitate cu munca lor de pionierat în optogenetică. Ei au cooptat un comutator de lumină folosit de algele verzi – proteina channelrhodopsin.

Când este lovită de lumina albastră, proteina deschide un por, permițând ionilor încărcați pozitiv să curgă prin membrana celulară. Acest flux de curent semnalează flagelului de la capătul opus al celulei algei să bată, propulsând-o spre lumină.

Cercetătorii au descoperit că pot insera o singură genă channelrhodopsin în neuroni individuali, folosind un virus infectant ca și curier. Ei s-au asigurat, de asemenea, că numai celulele care au realizat recent o memorie au produs gena întrerupătorului de lumină; celulele care produc memorie produc o proteină numită c-fos, astfel încât gena a fost modificată pentru a fi produsă numai în celulele care produc c-fos.

În 2012, grupul lui Tonegawa a folosit această tehnică optogenetică pentru a demonstra existența unei engrame a fricii. Un șoarece a fost plasat într-o cutie cu modele distinctive de pereți și texturi de podea. De fiecare dată când a fost plasat în acea cutie, a primit un șoc electric. Ulterior, simpla plasare a acestuia în cutia cu șocuri a fost suficientă pentru a-l face să se înfricoșeze.

Cercetătorii au identificat, de asemenea, un grup de celule din hipocampus care făceau în mod activ comutarea luminii, arma fumegândă care indica faptul că acele celule fuseseră implicate în crearea unei amintiri.

Pentru a dovedi că acesta era cazul, oamenii de știință au trecut apoi o fibră optică prin creier până la hipocampus pentru a ținti aceste celule. Când au electrocutat hipocampul cu flash-uri ritmice de lumină albastră, șoarecele a înghețat ca și cum ar fi retrăit amintirea plasării în cutia de șocuri. Aceasta a fost prima dovadă a existenței unei engrame – o colecție de câteva sute de celule care, atunci când sunt stimulate, redau memoria.

În acest nou studiu, cercetătorii au vrut să vadă ce se întâmplă cu engrama din hipocampusul șoarecilor în timp. Alte studii sugeraseră că este vorba despre o anumită porțiune mică a cortexului – cortexul prefrontal – unde par să fie stocate amintirile de frică. Așa că cercetătorii au infectat celulele cortexului prefrontal cu virusul care conținea întrerupătorul de lumină.

Au descoperit ceva curios. Ca și înainte, odată ce șoarecii au învățat să se teamă de camera de șoc, amintirea a putut fi reluată prin direcționarea unor flash-uri de lumină către hipocampus. Surpriza a fost că amintirea putea fi provocată și prin aprinderea de lumini la celulele cortexului prefrontal. Așadar, se pare că engrama a fost încărcată simultan în cortexul prefrontal. “Acest lucru a fost surprinzător”, notează Tonegawa, “pentru că a indicat faptul că memoria corticală a fost probabil creată chiar în prima zi, și nu treptat, așa cum s-a presupus.”

Chiar când șoarecii au fost plasați în camera de șocuri, încremeniți în memorie, aceleași celule din cortexul prefrontal au rămas tăcute (după cum s-a dovedit prin verificarea activității chimice în țesutul cerebral izolat). Abia la câteva săptămâni după experiență, celulele cortexului prefrontal au pornit atunci când șoarecele a fost plasat în camera de șocuri. În schimb, engrama din hipocampus a început să se estompeze.

Deci, când vine vorba de stocarea memoriei pe termen lung, mai întâi se face o copie silențioasă în cortexul prefrontal; doar treptat aceasta se cimentează, în timp ce engrama hipocampală se șterge. Totuși, ce anume este această cimentare pe termen lung rămâne să fie determinat, spune Takashi Kitamura, primul autor al lucrării.

O altă cheie pentru cimentarea memoriei a fost faptul că cortexul prefrontal trebuia să primească intrări atât de la hipocampus, cât și de la amigdala, centrul emoțional al creierului. Atunci când cercetătorii au blocat intrările neuronale de la oricare dintre acestea (din nou, folosind întrerupătoare de lumină), memoria cortexului nu a reușit să se cimenteze.

Cum ar putea ajuta oamenii cu aceste informații? Deși nu putem implanta întrerupătoare de lumină, este totuși posibil să pornim sau să oprim anumite regiuni ale creierului prin implantarea unor electrozi fini, folosind o tehnică cunoscută sub numele de stimulare cerebrală profundă, folosită deja pentru a trata tulburări precum boala Parkinson. Kitamura își imaginează că într-o bună zi va fi posibil să se folosească o tehnică similară pentru a manipula engramele din creier. “Dar mai întâi trebuie să le cartografiem la șoareci.”

Datorită vitezei amețitoare cu care progresează acest domeniu, era manipulării engramele noastre s-ar putea să nu fie atât de departe.

.