Kaip technologijos gali leisti mums pamatyti prisiminimus ir jais manipuliuoti

Optogenetika ir pažangus vaizdavimas padėjo neurologams suprasti, kaip formuojasi prisiminimai, ir leido jais manipuliuoti.

pateikė

• Joshua Sarinana archyvo puslapis

2021 m. rugpjūčio 25 d

Žmogaus smegenyse yra 86 milijardai neuronų, kurių kiekvienas turi tūkstančius jungčių, todėl susidaro šimtai trilijonų sinapsių. Sinapsės – jungties tarp neuronų taškai – saugo prisiminimus. Dėl didžiulio neuronų ir sinapsių skaičiaus mūsų smegenyse tikslios konkrečios atminties vietos nustatymas yra didžiulis mokslinis iššūkis.

Išsiaiškinę, kaip formuojasi prisiminimai, galiausiai galime sužinoti daugiau apie save ir išlaikyti savo protinį aštrumą. Atmintis padeda formuoti mūsų tapatybę, o atminties sutrikimas gali rodyti smegenų sutrikimą. Alzheimerio liga atima iš individų prisiminimus, sunaikindama sinapses; priklausomybė užgrobia smegenų mokymosi ir atminties centrus; o kai kurios psichinės sveikatos būklės, pavyzdžiui, depresija, yra susijusios su atminties sutrikimu.

Ši istorija buvo mūsų 2021 m. rugsėjo mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Daugeliu atžvilgių neuromokslas atskleidė prisiminimų prigimtį, bet taip pat pakeitė ir pačią prisiminimų sampratą. Toliau pateikti penki klausimai pasakoja apie tai, kiek daug išmokome ir kokios paslaptys liko.

Ar galime pamatyti prisiminimus smegenyse?

Neurologai dešimtmečius stebėjo pagrindinius prisiminimų kontūrus smegenyse. Tačiau tik neseniai jie galėjo pamatyti ilgalaikį fizinį atminties vaizdą, kuris vadinamas atminties engrama. Engrama saugoma sujungtų neuronų ir neuronų, laikančių engramą, tinkle galima priversti švytėti kad jie būtų matomi per specialius mikroskopus.

Šiandien neurologai gali manipuliuoti atminties engramomis dirbtinai aktyvuodami savo pagrindinius tinklus ir įterpdami naują informaciją. Šie metodai taip pat atskleidžia, kaip veikia skirtingų tipų atmintis ir kur kiekviena yra įrašyta smegenyse.

Epizodinė autobiografinė atmintis susijusi su tuo, kas atsitiko, kur ir kada. Jis remiasi hipokampu, jūrų arkliuko formos struktūra. Procedūriniai prisiminimai, palaikomi bazinių ganglijų, leidžia prisiminti, kaip atlikti įprastą elgesį, pavyzdžiui, važiuoti dviračiu. Šis regionas blogai veikia turintiems priklausomybę. Mūsų gebėjimas prisiminti faktus, kaip ir valstybių sostines, yra dėl semantinės atminties, kuri saugoma žievėje.

Kokie įrankiai leidžia pamatyti prisiminimus?

XIX amžiaus pabaigoje staliniai mikroskopai leido identifikuoti atskirus neuronus, o tai leido mokslininkams nupiešti stulbinančiai detalius smegenų vaizdus. Iki XX amžiaus vidurio galingi elektroniniai mikroskopai galėjo parodyti vos dešimčių nanometrų pločio (maždaug viruso dalelės pločio) sinapsines struktūras. XXI amžiaus sandūroje Neurologai naudojo dviejų fotonų mikroskopus sinapsių formavimuisi stebėti realiuoju laiku, kol pelės mokėsi.

Neįtikėtini genetikos pasiekimai taip pat leido sukeisti genus smegenyse ir iš jų, kad jie būtų susieti su atminties funkcija. Mokslininkai panaudojo virusus, kad į pelių smegenis įterptų medūzose randamą žalią fluorescencinį baltymą, dėl kurio besimokant įsižiebia neuronai. Jie taip pat naudojo dumblių baltymą, vadinamą kanalrodopsinu (ChR2), kad dirbtinai suaktyvintų neuronus. Baltymas yra jautrus mėlynai šviesai, todėl kai jis įterpiamas į neuronus, neuronus galima įjungti ir išjungti mėlynu lazeriu – technika, žinoma kaip optogenetika. Naudodami šią technologiją, kurią Stanfordo mokslininkai pradėjo beveik prieš du dešimtmečius, neurologai gali dirbtinai suaktyvinti laboratorinių gyvūnų atminties engramų ląsteles.

Nauji metodai taip pat leidžia ištirti, kaip nerviniai impulsai paverčia išorinę informaciją į mūsų vidinį pasaulį. Norėdami stebėti šį procesą smegenyse, neurologai naudoja mažyčius elektrodus impulsams, kurie trunka vos kelias milisekundes, įrašyti. Analitinės priemonės, pvz., neuronų dekodavimo algoritmai tada gali pašalinti triukšmą, kad atskleistų modelius, rodančius atminties centrą smegenyse. Atvirojo kodo programinės įrangos rinkiniai leidžia daugiau neurologijos laboratorijų atlikti tokius tyrimus.

Ką šios priemonės pasakoja apie tai, kaip kuriami ir saugomi prisiminimai?

Kaip neuronai tampa atminties engramos dalimi, iki šiol buvo paslaptis. Kai neurologai pažvelgė atidžiau, jie nustebo pamatę, kad neuronai konkuruoja vienas su kitu saugodami prisiminimus. Įterpdami į smegenis genus, kad padidintų arba sumažintų neuronų jaudrumą, mokslininkai sužinojo, kad labiausiai susijaudinę neuronai šioje srityje taps engramos dalimi. Šie neuronai taip pat aktyviai trukdys savo kaimynams trumpam laikui tapti kitos engramos dalimi. Šis konkursas greičiausiai padeda formuotis prisiminimams ir parodo, kad prisiminimų vieta smegenyse nėra atsitiktinė.

Susijusi istorija

Kodėl jautiesi vienišas? Neuromokslai pradeda rasti atsakymus. Neurologo vienatvės medžioklė galėtų padėti mums geriau suprasti socialinės izoliacijos išlaidas.

Kitų eksperimentų metu mokslininkai nustatė, kad neuroniniai tinklai laikosi pamirštų prisiminimų. Pelėms, kurioms buvo sušvirkštas baltymų inhibitorių kokteilis, išsivysto amnezija, jos greičiausiai pamiršta informaciją, nes jų sinapsės nyksta. Tačiau mokslininkai išsiaiškino, kad šie prisiminimai nebuvo prarasti amžinai – neuronai vis dar saugojo informaciją, nors be sinapsių jos nepavyko atkurti (bent jau ne be optogenetinės stimuliacijos). Pelės, sergančios Alzheimerio liga, patyrė panašų atminties praradimą.

Kitas atradimas susijęs su tuo, kaip sapnavimas stiprina mūsų prisiminimus. Neurologai jau seniai manė, kad dienos išgyvenimams pasikartojant nervinių impulsų pavidalu miego metu, šie prisiminimai pamažu persikelia iš hipokampo ir į žievę, kad smegenys galėtų išgauti informaciją ir sukurti pasaulio taisykles. Jie taip pat žinojo, kad kai kurias taisykles žievė susintetino greičiau, tačiau esami modeliai negalėjo paaiškinti, kaip tai atsitiko. Tačiau neseniai mokslininkai naudojo optogenetinius įrankius tyrimuose su gyvūnais, kad parodytų, jog hipokampas taip pat padeda sukurti šiuos greitai besiformuojančius žievės prisiminimus.

Hipokampas padeda greitai sukurti nesubrendusias atminties engramas žievėje, sako Takashi Kitamura , Teksaso universiteto Pietvakarių medicinos centro docentas. Hipokampas vis dar moko žievę, tačiau be optogenetinių įrankių galbūt nebūtume pastebėję nesubrendusių engramų.

Ar galima manipuliuoti prisiminimais?

Prisiminimai nėra tokie stabilūs, kaip gali jaustis . Dėl savo prigimties jie turi būti linkę keistis, kitaip mokytis būtų neįmanoma.

Beveik prieš dešimtmetį MIT mokslininkai genetiškai modifikavo peles taip, kad kai jų neuronai buvo aktyvūs mokymosi metu, ši veikla įjungdavo ChR2 geną, kuris buvo pririštas prie žaliai fluorescencinio baltymo. Pamatę, kurie neuronai fluorescuoja, neurologai galėjo nustatyti, kurie iš jų dalyvavo mokymesi. Ir jie galėtų iš naujo suaktyvinti specifinius prisiminimus, apšviesdami ChR2 genus, susijusius su tais neuronais.

Turėdami šį gebėjimą, MIT tyrėjai į pelės smegenis įterpė klaidingą atmintį. Pirmiausia jie įdėjo peles į trikampę dėžutę, kuri suaktyvino specifinius ChR2 genus ir neuronus. Tada jie įdėjo peles į kvadratinę dėžę ir sukrėtė jų kojas, apšviesdami ChR2 neuronus, susijusius su pirmąja aplinka.

Galiausiai pelės susiejo atmintį apie trikampę dėžę su smūgiais, nors jos buvo sukrėstos tik būdamos kvadratinėje dėžutėje. Gyvūnai bijojo aplinkos, kurioje, techniškai kalbant, niekada nenutiko nieko blogo, sako Steve'as Ramirezas , tyrimo bendraautoris, dabar Bostono universiteto neurologijos docentas.

Neįmanoma naudoti tokių metodų, kuriuose naudojami šviesolaidiniai kabeliai ir lazeriai, norint eksperimentuoti su žmogaus smegenimis, tačiau pelių smegenų rezultatai rodo, kaip lengvai galima manipuliuoti prisiminimais.

Ar galime matyti prisiminimus už smegenų ribų?

Žmogaus prisiminimus galima vizualiai atkurti naudojant smegenų skaitytuvus . Tyrime, kurį atliko Brice Kuhl , kuris dabar yra Oregono universiteto kognityvinės neurologijos docentas, žmonėms buvo pateikti vaizdai, o jų smegenys buvo nuskaitytos MRT aparatu, kad būtų galima įvertinti, kurie regionai yra aktyvūs. Tada buvo išmokytas algoritmas atspėti, ką žmogus žiūri, ir pagal šią veiklą atkurti vaizdą. Algoritmas taip pat atkūrė vaizdus iš dalyvių, kurių buvo paprašyta mintyse laikyti vieną iš vaizdų, kuriuos jie žiūrėjo.

Šiuos rekonstruotus vaizdus galima tobulinti, tačiau šis darbas parodė, kad neurovaizdavimo ir rekonstrukcijos algoritmai iš tikrųjų gali parodyti žmogaus prisiminimų turinį, kad kiti galėtų pamatyti.

Technologijos leido neurologams pažvelgti į smegenis ir pamatyti mažyčius švytinčius atminties pėdsakus. Tačiau atradimas, kad patirtis ir žinios gali būti implantuojamos arba perkeliamos iš išorės, taip pat suteikė atminčiai kitokią prasmę. Ką tai reiškia mūsų suvokimui, kas mes esame?

Joshua Sarinana yra neuromokslininkas, rašytojas ir vaizduojamojo meno fotografas.