Atmiņas izsekošana

Susumu Tonegawa var likt pelēm atcerēties lietas, kas nekad nav notikušas. Ievērojamā pētījumu sērijā, ko viņa laboratorija ir publicējusi pēdējo četru gadu laikā, viņa komanda ir izstrādājusi veidus, kā izsekot dzīvnieku atmiņām un manipulēt ar tām — implantējot viltus atmiņas, mainot sliktās atmiņas uz labām un pat atjaunojot atmiņas pelēm ar amnēziju. . Šie pētījumi ir virzījuši atmiņas pētniecības jomu un apstiprinājuši 77 gadus veco Tonegavu kā vienu no tās līderiem.

Bet, kad viņš stāsta par šo darbu savā birojā MIT Pikovera Mācību un atmiņas institūtā, Tonegava šķiet visskaistākā, runājot par jautājumiem, uz kuriem viņš vēl nav atbildējis, piemēram, par atmiņu ilgtermiņa likteni. Viņa pētījumi galvenokārt ir vērsti uz hipokampu, smadzeņu reģionu, kas ir būtisks pieredzes atcerēšanai. Zinātnieki gadu desmitiem ir zinājuši, ka hipokamps ir tikai pagaidu krātuve, viņš skaidro. Atmiņa, ko mēs glabājam gadiem ilgi, tiek glabāta neokorteksā.

Es viņam jautāju, kā atmiņa var pārvietoties no vienas vietas smadzenēs uz citu.

Kā tas ir iespējams, ka tāda pieredze kā filma, kuru skatījāties pagājušajā naktī, kaut kādā veidā ir iegulta jūsu smadzenēs?

Tas ir tas, ko mēs tagad pētām, viņš saka, viņa seja izgaismojas. Viņa laboratorija izseko mijiedarbību starp diviem smadzeņu apgabaliem, lai noskaidrotu, kā atmiņas nonāk neokorteksā. Ja pētnieki var precīzi noteikt, kurām šūnām ir ilgtermiņa atmiņa, viņi var sākt pētīt un manipulēt ar šīm atmiņām tāpat kā ar īstermiņa atmiņām. Bet tas ir mūsu pētījuma visprogresīvākais, viņš smejoties saka, it kā viņš kaut ko atdotu. Šis ir nākamais solis. Mēs darām daudzas lietas, bet šī ir viena no lietām, par ko esmu ļoti sajūsmā.

Zinātnieki, kuri pazīst Tonegavu, saka, ka viņš vienmēr domā par nākamo soli. Viena no lietām, kas raksturo Susumu kā zinātnieku, ir nerimstoša koncentrēšanās uz to, ko viņš uzskata par vissvarīgāko problēmu savā jomā, saka Deivids Andersons, Caltech neirozinātnieks. Viņš ir pilnīgs zinātnieks. Viņš vēlas zināt, kāda ir atbilde uz jautājumu; viņam rūp pareizās atbildes saņemšana.

Tonegavas laboratorija atrada smadzeņu ķēdi, kas palīdz veidot epizodiskas atmiņas. Tas padod informāciju par pieredzi hipokampam, izmantojot divus atšķirīgus ceļus: okeāna šūnas (zaļas) nosūta kontekstuālos datus; salu šūnu (sarkanā) releja laika informācija.

Viņam nav interese par saviesīgiem pasākumiem, un viņš nav pazīstams ar mazām sarunām (ja vien tas nav par Red Sox). Tā vietā viņu vada zinātkāre. Konkrētāk, par tādiem jautājumiem kā šis: kā tas ir iespējams, ka tāda pieredze kā filma, kuru skatījāties pagājušajā naktī, kaut kādā veidā ir iegulta jūsu smadzenēs?

Atmiņa ir kaut kas tāds, ko nevar noteikt, saka Tonegava. Konceptuāli notiek lēciens no fiziskas būtnes uz nefizisku parādību — informāciju. Jautājums ir, kā jūs uzglabājat informāciju? Šai uzglabāšanai ir jābūt kaut kādam fiziskam pamatam.

Šokējošas atmiņas

Smadzeņu zinātne patiešām ir otrā karjera Tonegavai, kurš pirmo reizi ieguva ievērojamu vietu darbā, kas palīdzēja izskaidrot imūnsistēmas darbību. Dzimis Nagojā, Japānā, 1939. gadā, viņš studēja ķīmiju, pirms aizrāvās ar molekulāro bioloģiju koledžā. Viņš ieguva doktora grādu Kalifornijas Universitātē Sandjego un strādāja Salkas institūtā un pēc tam Bāzeles imunoloģijas institūtā Šveicē. Tur viņš pievērsās problēmai, kā imūnsistēma var radīt dažādas antivielas, lai aizsargātos pret patogēniem. Viņa eksperimenti, kas parādīja, ka antivielu ražošanai izmantotā DNS tiek sajaukta, lai indivīda dzīves laikā iegūtu daudzas jaunas kombinācijas, 1987. gadā viņam nopelnīja Nobela prēmiju fizioloģijā vai medicīnā.

Tonegava tika pieņemts darbā MIT 1981. gadā, lai strādātu tās Vēža izpētes centrā. Viņa pētījumi ietvēra gēnu inženierijas pelēm, lai pētītu gēnu lomu imūnsistēmā, un tieši šī tehnoloģija viņu vispirms noveda pie neirozinātnes. Astoņdesmito gadu vidū viņš ļāva pēcdoktoram Alčīno Silvam (tagad UCLA Integratīvā mācību un atmiņas centra direktors) izpētīt pētniecības ceļu, par kuru viņš jau domāja: gēnu inženierijas izmantošanu smadzeņu pētīšanai. 1992. gadā viņi ziņoja, ka konkrēta gēna dzēšana pasliktināja peles spēju apgūt telpisko informāciju. Tas bija svarīgs atklājums: viens gēns var ietekmēt sarežģītu kognitīvo procesu.

Pamazām šāds darbs kļuva par Tonegavas laboratorijas vienīgo uzmanību. Es jutu, ka smadzenes ir īsts nākotnes priekšmets, viņš saka. Neirozinātne bija plaukstoša joma, un ģenētiski modificētas peles pavēra jaunu veidu, kā to izpētīt.

Susumu Tonegava

Tonegava nolēma pievērsties mācībām un atmiņai. Viņš redzēja, ka viens no svarīgākajiem neirozinātnes jautājumiem ir noskaidrot, kā smadzenes iegūst informāciju un glabā atmiņas. Lai gan smadzenes sastāv no šūnām tāpat kā jebkurš cits orgāns, tās atšķiras vienā svarīgā aspektā. Viņš saka, ka smadzenes ir ieguvušas spēju uztvert kādu informāciju, kas nāk no ārpuses, un uzglabāt to un izmantot. Tā ir patiešām būtiska smadzeņu darbības iezīme.

Tonegava izmantoja ievērojamus resursus, lai risinātu šo jautājumu, 1994. gadā nodibinot Mācību un atmiņas centru (vēlāk nosaukts par Pikovera institūtu) MIT. Viņš pildīja tā direktora pienākumus līdz 2006. gadam. Līdz 1996. gadam viņa laboratorija bija palīdzējusi izstrādāt izslēgšanas tehniku. gēns, kas interesē konkrētos smadzeņu reģionos un šūnu tipos, ļaujot bezprecedenta detalizēti izpētīt, kā šo gēnu ražotās olbaltumvielas ietekmē dzīvnieku kognitīvos procesus. Pavisam nesen Tonegavas laboratorija, tāpat kā daudzas citas neirozinātnes, ir sākušas izmantot jaunas tehnoloģijas, piemēram, optoģenētiku, kas ļauj pētīt savstarpēji saistītus šūnu tīklus dzīvu dzīvnieku smadzenēs. Viņš saka, ka tas ir nozīmīgs progress, jo vienota atmiņa veidojas no savienojumu modeļa starp unikālu šūnu apakškopu.

Šīs tehnoloģijas ļauj Tonegavam izpētīt atmiņas veidošanās detaļas. Iepriekšējie pētījumi ļāva zinātniekiem noteikt smadzeņu reģionus, kas parasti ir iesaistīti atmiņas veidošanā un uzglabāšanā. Taču vienas unikālas atmiņas identificēšana ir daudz grūtāka. Vācu zoologs Ričards Semons 20. gadsimta sākumā ieviesa terminu engram, lai aprakstītu vienas atmiņas fizisko parakstu. Kad jūs piedzīvojat vai apgūstat jaunu informāciju, viņš spekulēja, dažas smadzeņu šūnas mainās, un, kad vēlāk saskaraties ar līdzīgu stimulu, tās pašas šūnas tiek atkārtoti aktivizētas, liekot jums atcerēties atmiņu.

Teorija tika ignorēta gadu desmitiem, bet pēdējos gados zinātnieki ir guvuši panākumus, meklējot specifisku atmiņas engrammu fizisko parakstu hipokampā. Viņi, piemēram, parādīja, ka smadzeņu šūnu dzēšana, kas bija aktīva atmiņas veidošanās laikā, lika dzīvniekiem aizmirst šo informāciju. Tomēr, tāpat kā visas taktikas, kas balstās uz smadzeņu bojājumiem, šī pieeja ir ierobežota, saka Šīna Josselīna, Toronto slimo bērnu slimnīcas vecākā zinātniece. Jūs varat darīt daudzas lietas, lai pele kaut ko neatcerētos vai nespētu veikt kādu uzdevumu, viņa saka. Tur nav nekādas specifikas.

Laboratorija izārstēja depresijas simptomus pelēm, mākslīgi aktivizējot priecīgas atmiņas. Šīs jaundzimušās šūnas hipokampā radās atmiņas atkārtotas aktivizēšanas rezultātā.

Lai labāk izprastu procesu, Tonegava saka, ka viņiem bija jāspēj atkārtoti aktivizēt atmiņu, nevis tikai to iznīcināt. Šis izrāviens notika 2012. gadā, kad laboratorijas locekļi Sju Liu un Stīvs Ramiress, PhD '15, publicēja rakstu Daba parādot, ka tie pēc vēlēšanās var izraisīt peles īpašu atmiņu.

Lai to paveiktu, Liu un Ramirez (2013. gada TR35 uzvarētājs) apvienoja un paplašināja divas citās laboratorijās izstrādātas tehnoloģijas. Viens no tiem ir optoģenētika, kas šūnās ievada gaismas jutīgu proteīnu, lai tās varētu aktivizēt ar gaismu. Otrs ir paņēmiens smadzeņu šūnu marķēšanai, kas iesaistītas atmiņas veidošanā. Liu un Ramiress turēja peles ar narkotiku doksiciklīnu, kas nomāc marķēšanu; tad viņi uz īsu laiku izņēma pelēm zāles, lai tās varētu mērķēt uz atmiņas šūnām, kas ir aktīvas konkrēta notikuma laikā. Rezultāts: šūnas, kuras viņi identificēja kā tādas, kas veido īpašu atmiņu, ko pētnieki sauc par engramma šūnām, vēlāk var aktivizēt ar gaismu.

Liu un Ramiress izmantoja paņēmienu, lai iezīmētu šūnas peles hipokampā, kamēr tā piedzīvoja vieglu pēdas triecienu būrī. Parasti pele, kas atgriezta tajā pašā būrī, sastingst, imobilizējoties no atmiņas par savu slikto pieredzi, bet tā izturētos kā parasti, ja to ievieto būrī, kas tai nesaistījās ar šoku. Tomēr šajā gadījumā pētnieki ievietoja peli drošā būrī un caur sīkām šķiedrām piegādāja gaismas impulsus, lai aktivizētu engrammas šūnas hipokampā. Dzīvnieks sastinga gluži tā, it kā atcerētos, ka šajā vidē ir bijis šokēts.

Ramirezs, kurš tagad ir galvenais pētnieks Hārvardas Smadzeņu zinātnes centrā, saka, ka viņu un Liu iedvesmoja filma. Sākums un patiešām iemīlēja šo ideju par jaunas vai viltus atmiņas radīšanu. (Liu nomira 2015. gadā, neilgi pēc tam, kad kļuva par Ziemeļrietumu universitātes docentu.) Pēcpārbaudes dokumentā viņi atzīmēja atmiņu veidojošās šūnas, kad peles pētīja normālu būru. Nākamajā dienā viņi ievietoja peles citā būrī un sniedza pēdas triecienu, vienlaikus aktivizējot marķētās šūnas. Kad peles atkal tika ievietotas drošajā būrī, tās sastinga no bailēm, liekot domāt, ka viņām ir dota nepatiesa atmiņa par šoku šajā būrī.

Spēcīgi spiežot

Tonegava savas grupas 40 dalībniekiem sniedz neparastu brīvību, autonomiju un laiku, lai saņemtu pareizo atbildi vai izstrādātu perfektu eksperimentu. Ramiress laboratoriju, kas atrodas divos Pikovera institūta stāvos, sauc par zinātnes rotaļu laukumu, piebilstot, ka Tonegava nav saistīta ar kādu konkrētu dogmu vai iznākumu. Viņš mudina cilvēkus sekot datiem, viņš saka.

Tonegava ir pazīstams arī ar savu laboratorijas locekļu stumšanu. Absolvents Dīrajs Rojs atceras savu sajūsmu, kad viņš 2014. gada septembrī tikās ar Tonegavu, lai parādītu jaunākos savāktos datus. Rojs pētīja, vai viņš varētu atjaunot zaudētās atmiņas pelēm ar stāvokli, kas līdzīgs agrīnai Alcheimera slimībai. Viņš bija rūpīgi pārveidojis paņēmienu, ko Liu un Ramiress bija izstrādājuši, lai strādātu ar šīm pelēm, un viņa dati izskatījās lieliski: aktivizējot engrammas šūnas ar gaismu, viņš varēja likt Alcheimera pelēm atcerēties, ka vairākas dienas pirms tam būrī saņēma pēdas triecienu. viņi parasti būtu aizmirsuši.

Tonegavas grupa identificēja šūnas (parādītas sarkanā krāsā), kurās peles hipokampā tiek glabātas atmiņas pēdas. Pētnieki varēja iestādīt viltus atmiņas, atkārtoti aktivizējot šīs šūnas.

Taču Tonegavas reakcija nebija tieši tāda, uz ko Rojs bija cerējis. Pēc pirmajām divām mūsu tikšanās minūtēm viņš jau bija devies tālāk, atceras Rojs. Ko darīt, ja būtu kāds veids, kā atjaunot atmiņu uz visiem laikiem, viņš prātoja, ne tikai tad, kad deg gaisma? Tā bija ideja, par kuru viņi nekad iepriekš nebija runājuši, taču Rojam ir aizdomas, ka tā varētu būt bijusi Tonegavas prātā visu laiku.

Tas bija tas, ko Rojs sauc par slaveno 'bet'.

Viņš saka: 'Ja mēs varētu veikt vēl vienu eksperimentu.' Mēs visi to esam dzirdējuši četrsimt reižu, saka Rojs. Viņš nepateiks jums ceļu, bet viņš parādīs finiša līniju.

Pēc šīs sanāksmes bija nepieciešami vēl 12 mēneši eksperimentiem, bet Rojs atklāja, ka savienojumi starp engramma šūnām ir vājāki pelēm ar atmiņas deficītu, un viņš izstrādāja protokolu atkārtotai gaismas pulsēšanai uz šūnām, kas izraisīja savienojumu nostiprināšanos un atmiņas. lai saglabātos pat tad, kad gaisma ir izslēgta. Pētījums, kas publicēts šā gada sākumā, ne tikai parādīja, ka atmiņas saglabājas slimajās pelēs; tā piedāvāja jaunu koncepciju atmiņas atjaunošanai neirodeģeneratīvās slimībās.

Citi pētījumi Tonegawa laboratorijā ir pētījuši engram šūnu lomu normālā uzvedībā, kā arī slimībās. Ramirezs un Liu vadīja pētījumu, kurā atklājās, ka viņi var novērst depresijai līdzīgu uzvedību pelēm, kas pakļautas hroniskam stresam, atkārtoti aktivizējot engramas šūnas, kas saistītas ar agrāku pozitīvu pieredzi. Pētījumā, ko vadīja Rodžers Redondo, toreizējais doktorants, un absolvents Džošua Kims, pētīja, vai atmiņas uztveri kā negatīvu vai pozitīvu var mainīt. Un nesenais pētījums Zinātnē identificēja hipokampa apgabalu, kas saistīts ar sociālo mijiedarbību atcerēšanos. Kad Teruhiro Okuyama strādāja ar pelēm, lai aktivizētu engrammas šūnas, kas saistītas ar atmiņu par satikšanos ar citu peli, dzīvnieks reaģēja tā, it kā jauna pele būtu pazīstama.

Šie pētījumi ir aizrāvuši sabiedrību ar ierosinājumu, ka mūsu atmiņas ir kaļamas, taču Tonegava norāda, ka grauzēju eksperimentu pārvēršana cilvēku rezultātos vēl ir tālu. Mēs ceram, ka tas, ko mēs darām ar pētījumiem ar dzīvniekiem, ir noderīgs turpmākajai terapijai, viņš saka. Taču cilvēka smadzeņu šūnu un ķēžu droša stimulēšana ar tik precizitāti joprojām nav iespējama.

Tā vietā viņš ir koncentrējies uz vairākiem jautājumiem, kas radušies šajā pētījumā. Viņš pēta attiecības starp hipokampu un citiem smadzeņu apgabaliem, turpina atšķetināt emociju lomu atmiņā un pēta, kā mēs atceramies pagātnes notikumu secības.

Tonegava, kurš vada RIKEN-MIT Neironu ķēžu ģenētikas centru un RIKEN Smadzeņu zinātnes institūtu Japānā, nesen samazināja savas laboratorijas lielumu un saka, ka viņš varētu veikt mazāk izpētes projektu, kas bieži vien ir virzījuši viņa pētījumus jaunos virzienos. Viņš saka, ka viņa intereses ir sašaurinājušās pēc personiskas traģēdijas: 2011. gadā viņa dēla Satto, kurš ir MIT bakalaura absolvents, pašnāvība. Taču viņa ilgstoša koncentrēšanās uz zinātnisko darbu ir palīdzējusi viņam tikt galā ar savām bēdām.

Kamēr esmu dzīvs un man ir enerģija, es gribētu turpināt, viņš saka, bet viņš smejoties piebilst: Es domāju, ka es palikšu pie atmiņas.

Piezīme. Šis stāsts tika mainīts 2016. gada 16. novembrī.

paslēpties