Articles

Hur mänskliga minnen skapas

Vad är ett minne? År 1904 kom den tyske biologen Richard Semon med idén om ett minnesspår som hålls samman av en koppling mellan en diskret grupp av hjärnceller. Han kallade denna imaginära fysiska krets för ett engram. Engrammen fortsatte att leva ett robust liv i science fiction och scientologi.

Men när det gäller att bevisa deras existens i hjärnan fick man vänta på utvecklingen av ljusaktiverade pincetter för att dissekera ut de fina kretsarna. Med hjälp av dessa så kallade optogenetiska pincetter visade Susumu Tonegawas labb vid MIT 2012 för första gången att ett engram existerar.

Nu har samma grupp i en artikel som publicerades i Science i april förra året avslöjat detaljerna i hur engrammen skapas i en del av hjärnan, hippocampus, och sedan laddas upp för att lagras i hjärnbarken, det yttersta lagret.

Det är möjligt att hitta nya sätt att förbättra minnet, antingen när det misslyckas eller när det blir hyperaktivt.

De första experimentella bevisen för hur mänskliga minnen bildas och lagras går tillbaka till 1953.

“I princip visar den här studien hur vi skulle kunna behandla dessa celler som blir överaktiva vid PTSD”, säger Pankaj Sah, chef för Queensland Brain Institute. “På sätt och vis är det en överraskning att dessa mycket fullständiga minnen kan vara så diskreta.”

Det första experimentella beviset på hur mänskliga minnen bildas och lagras går tillbaka till 1953. Det var då den 27-årige amerikanen Henry Molaison fick sina hippocampi bortopererade som ett sätt att bota sina anfall. Till sina kirurgers förskräckelse förstörde operationen också hans förmåga att skapa nya minnen. Men hans gamla minnen var bra.

Det oavsiktliga experimentet visade att hippocampus behövs för att väva ihop nya minnen – särskilt de kontextrika “episodiska” minnen som skapas varje dag, till exempel vad du såg när du rastade din hund i parken i morse.

Dessa detaljerade minnen lagras dock inte i hippocampus. Med tiden överförs de till hjärnans yttre skal – hjärnbarken. Vi vet detta från patienter som, när dessa delar av hjärnan har stimulerats elektriskt, återkallar särskilda minnen. {%recommended 4923%}

Uppladdningen av dessa minnen innebär i allmänhet att informationen komprimeras, ungefär som vi komprimerar datorfiler för långtidslagring. Man trodde också att det skedde under flera dagar.

Denna grovkorniga bild var i stort sett hur saker och ting såg ut fram till för fem år sedan. Det var då Tonegawas labb, ett samarbete mellan Japans RIKEN Brain Science Institute och MIT, reducerade ett par närmast mytiska idéer till praktik genom att använda en toppmodern teknik som kallas optogenetik. En av idéerna var den om Semons engram. Han menade att ett minne skulle lämna ett fysiskt spår i hjärnan och att hjärnan, när den stimuleras, skulle spela upp minnet igen.

Semon föreslog denna idé flera decennier innan forskarna förstod att neuronerna skickade signaler via elektriska impulser. Forskare har sedan dess avkodat en stor del av den elektriska signalering som passerar mellan neuroner, och visat hur inlärning och minne motsvarar en förstärkning av förbindelserna, eller synapserna, mellan enskilda neuroner.

Då hade ingen någonsin kunnat matcha en viss ensemble av neuroner i hjärnan med ett visst minne. År 1999 funderade Francis Crick, nobelpristagare som vände sina talanger till att lösa hjärnans mysterier, på att man för att göra framsteg skulle kunna använda sig av ljuspulser för att aktivera enskilda neuroner i ett levande djur.

“Detta verkar ganska långsökt”, skrev han, “men det är tänkbart att molekylärbiologer skulle kunna konstruera en viss celltyp så att den blir känslig för ljus”. Bara sex år senare gjorde Stanfords neurovetenskapsmän Edward Boyden och Karl Deisseroth, till sin egen förvåning, detta till verklighet med sitt pionjärarbete inom optogenetik. De använde sig av en ljusbrytare som används av gröna alger – kanalrhodopsinproteinet.

När proteinet träffas av blått ljus öppnar det en por så att positivt laddade joner kan flöda över cellmembranet. Detta strömflöde signalerar till flagellerna i den motsatta änden av algcellen att slå och driva den mot ljuset.

Forskarna upptäckte att de kunde föra in en enda kanalrhodopsin-gen i enskilda nervceller genom att använda ett infekterande virus som budbärare. De såg också till att endast celler som nyligen hade skapat ett minne producerade genen för ljusbrytare; celler som skapar minnen producerar ett protein som kallas c-fos, så genen konstruerades så att den endast skapades i celler som producerar c-fos.

2012 använde Tonegawas grupp denna optogenetiska teknik för att påvisa att det finns ett rädsla-engram. En mus placerades i en låda med distinkta väggmönster och golvstrukturer. Varje gång den placerades i den lådan fick den en elektrisk stöt. Därefter räckte det med att bara placera den i chocklådan för att få den att krypa ihop.

Forskarna identifierade också en grupp celler i hippocampus som aktivt gjorde ljusomkopplingen, vilket var den rykande pistolen som visade att dessa celler hade varit inblandade i skapandet av ett minne.

För att bevisa att så var fallet, trådde forskarna sedan en optisk fiber genom hjärnan till hippocampus för att rikta in sig på dessa celler. När de gav hippocampus rytmiska blinkningar av blått ljus frös musen som om den återupplevde minnet av att ha placerats i chocklådan. Det var det första beviset för ett engram – en samling av några hundra celler som, när de stimuleras, återger minnet.

I den nya studien ville forskarna se vad som hände med hippocampus-engrammet hos mössen med tiden. Andra studier hade föreslagit att det var ett särskilt litet område i hjärnbarken – den prefrontala hjärnbarken – där rädslominnen tycktes lagras. Så forskarna infekterade cellerna i den prefrontala cortexen med viruset som innehöll ljusbrytaren.

De fann något märkligt. Liksom tidigare kunde minnet, när mössen väl lärt sig att frukta chockrummet, spelas upp på nytt genom att rikta ljusblixtar mot hippocampus. Överraskningen var att minnet också kunde framkallas genom att blinka ljus på cellerna i den prefrontala cortexen. Det verkade som om engrammet samtidigt laddades upp till den prefrontala hjärnbarken. “Detta var överraskande”, konstaterar Tonegawa, “eftersom det indikerade att det kortikala minnet troligen skapades redan den första dagen, och inte gradvis som man har antagit.”

När mössen placerades i chockrummet, där de kröp ihop av minnet, var dock samma celler i den prefrontala cortexen tysta (vilket framgår av att man kontrollerade den kemiska aktiviteten i isolerad hjärnvävnad). Det var först ett par veckor efter upplevelsen som cellerna i den prefrontala cortexen sköt när musen placerades i chockrummet. Omvänt började engrammet i hippocampus att blekna.

Så när det gäller lagring av långtidsminnen görs först en tyst kopia i den prefrontala hjärnbarken; först successivt cementeras den medan engrammet i hippocampus utplånas. Exakt vad det långsiktiga cementet är återstår dock att fastställa, säger Takashi Kitamura, förstaförfattare till artikeln.

En annan nyckel till att cementera minnet var att den prefrontala cortexen behövde få input från både hippocampus och amygdala, hjärnans känslomässiga centrum. När forskarna blockerade neuronala inflöden från någon av dem (återigen med hjälp av ljusbrytare) lyckades inte minnet i hjärnbarken att cementera sig.

Hur kan denna information hjälpa människor? Även om vi inte kan implantera ljusbrytare är det ändå möjligt att sätta på eller stänga av vissa regioner i hjärnan genom att implantera fina elektroder med hjälp av en teknik som kallas djupstimulering av hjärnan och som redan används för att behandla sjukdomar som Parkinsons sjukdom. Kitamura föreställer sig att det en dag kommer att bli möjligt att använda en liknande teknik för att manipulera engrammen i hjärnan. “Men först måste vi kartlägga dem i möss.”

Med tanke på den halsbrytande hastighet med vilken detta område utvecklas, är det kanske inte så långt borta att vi kan manipulera våra engram.