Kā tehnoloģija var ļaut mums redzēt un manipulēt ar atmiņām

Optoģenētika un uzlabotā attēlveidošana ir palīdzējusi neirozinātniekiem saprast, kā veidojas atmiņas, un ļāva ar tām manipulēt.

autors

• Džošua Sarinana arhīva lapa

2021. gada 25. augusts

Cilvēka smadzenēs ir 86 miljardi neironu, katrs ar tūkstošiem savienojumu, kas rada simtiem triljonu sinapses. Sinapses - savienojuma punkti starp neironiem - glabā atmiņas. Lielais neironu un sinapsu skaits mūsu smadzenēs padara konkrētas atmiņas precīzas atrašanās vietas atrašanu par milzīgu zinātnisku izaicinājumu.

Izpratne par to, kā veidojas atmiņas, galu galā var palīdzēt mums uzzināt vairāk par sevi un saglabāt mūsu garīgo asumu neskartu. Atmiņa palīdz veidot mūsu identitāti, un atmiņas traucējumi var liecināt par smadzeņu darbības traucējumiem. Alcheimera slimība atņem indivīdiem atmiņas, iznīcinot sinapses; atkarība nolaupa smadzeņu mācīšanās un atmiņas centrus; un daži garīgās veselības stāvokļi, piemēram, depresija, ir saistīti ar atmiņas traucējumiem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2021. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Daudzos veidos neirozinātne ir atklājusi atmiņu būtību, taču tā ir arī mainījusi priekšstatu par to, kas ir atmiņas. Tālāk minētie pieci jautājumi runā par to, cik daudz esam iemācījušies un kādi noslēpumi ir palikuši.

Vai mēs varam redzēt atmiņas smadzenēs?

Neirozinātnieki ir novērojuši atmiņu pamata kontūras smadzenēs gadu desmitiem. Tomēr tikai nesen viņi varēja redzēt ilgstošu atmiņas fizisko attēlojumu, ko sauc par atmiņas engrammu. Engramma tiek glabāta savienotu neironu un neironu, kas tur engrammu, tīklā var likt mirdzēt lai tie būtu redzami caur īpašiem mikroskopiem.

Mūsdienās neirozinātnieki var manipulēt ar atmiņas engrammām, mākslīgi aktivizējot to pamatā esošos tīklus un ievietojot jaunu informāciju. Šīs metodes arī atklāj, kā darbojas dažādi atmiņas veidi un kur katrs tiek reģistrēts smadzenēs.

Epizodiskā autobiogrāfiskā atmiņa attiecas uz to, kas notika, kur un kad. Tas balstās uz hipokampu, jūras zirdziņa formas struktūru. Procedūras atmiņas, ko atbalsta bazālie gangliji, atcerēsimies, kā veikt ierastās darbības, piemēram, braukt ar velosipēdu. Šis reģions nedarbojas pareizi cilvēkiem ar atkarību. Mūsu spēja atcerēties faktus, piemēram, štatu galvaspilsētas, ir pateicoties semantiskajai atmiņai, kas tiek glabāta garozā.

Kādi instrumenti ļauj mums redzēt atmiņas?

19. gadsimta beigās galda mikroskopi ļāva identificēt atsevišķus neironus, ļaujot zinātniekiem uzzīmēt satriecoši detalizētus smadzeņu attēlus. Līdz 20. gadsimta vidum jaudīgi elektronu mikroskopi varēja parādīt sinaptiskās struktūras tikai desmitiem nanometru platumā (apmēram vīrusa daļiņas platumā). 21. gadsimta mijā neirozinātnieki izmantoja divu fotonu mikroskopus, lai novērotu sinapses veidošanos reāllaikā, kamēr peles mācījās.

Neticami sasniegumi ģenētikā ir arī ļāvuši apmainīt gēnus smadzenēs un no tiem, lai saistītu tos ar atmiņas funkciju. Zinātnieki ir izmantojuši vīrusus, lai peļu smadzenēs ievietotu zaļi fluorescējošu proteīnu, kas atrodams medūzās, izraisot neironu iedegšanos mācību laikā. Viņi ir izmantojuši arī aļģu proteīnu, ko sauc par kanalrodopsīnu (ChR2), lai mākslīgi aktivizētu neironus. Proteīns ir jutīgs pret zilo gaismu, tāpēc, kad tas tiek ievietots neironos, neironus var ieslēgt un izslēgt ar zilu lāzeru — šo metodi sauc par optoģenētiku. Izmantojot šo tehnoloģiju, ko pirms gandrīz divām desmitgadēm ieviesa Stenfordas pētnieki, neirozinātnieki var mākslīgi aktivizēt atmiņas engrammas šūnas laboratorijas dzīvniekiem.

Jaunas metodes arī ļauj izpētīt, kā nervu impulsi pārvērš ārējo informāciju mūsu iekšējā pasaulē. Lai novērotu šo procesu smadzenēs, neirozinātnieki izmanto sīkus elektrodus, lai reģistrētu impulsus, kas ilgst tikai dažas milisekundes. Analītiskie rīki, piemēram, neironu dekodēšanas algoritmi pēc tam var atsijāt troksni, lai atklātu modeļus, kas norāda uz atmiņas centru smadzenēs. Atvērtā pirmkoda programmatūras komplekti ļauj vairākām neirozinātņu laboratorijām veikt šādus pētījumus.

Ko šie rīki stāsta par to, kā tiek veidotas un uzglabātas atmiņas?

Kā neironi kļūst par daļu no atmiņas engrammas, vēl nesen bija noslēpums. Kad neirozinātnieki paskatījās tuvāk, viņi bija pārsteigti, redzot, ka neironi sacenšas viens ar otru, lai saglabātu atmiņas. Ievietojot gēnus smadzenēs, lai palielinātu vai samazinātu neironu uzbudināmību, pētnieki uzzināja, ka visvairāk satrauktie neironi šajā apgabalā kļūs par daļu no engrammas. Šie neironi arī aktīvi kavēs savus kaimiņus uz īsu laiku kļūt par daļu no citas engrammas. Šis konkurss, iespējams, palīdz veidot atmiņas un parāda, ka atmiņu izvietojums smadzenēs nav nejaušs.

Saistīts stāsts

Kāpēc tu jūties vientuļš? Neirozinātne sāk rast atbildes. Neirozinātnieka vientulības medības varētu mums palīdzēt labāk izprast sociālās izolācijas izmaksas.

Citos eksperimentos pētnieki atklāja, ka neironu tīkli saglabā aizmirstās atmiņas. Pelēm, kurām injicēts proteīna inhibitoru kokteilis, attīstās amnēzija, iespējams, aizmirstot informāciju, jo to sinapses nokalst. Taču pētnieki atklāja, ka šīs atmiņas nebija uz visiem laikiem zaudētas — neironi joprojām glabāja informāciju, lai gan bez sinapsēm to nevarēja izgūt (vismaz ne bez optoģenētiskas stimulācijas). Pelēm ar Alcheimera slimību bija līdzīgs atmiņas zudums.

Vēl viens atklājums ir saistīts ar to, kā sapņošana stiprina mūsu atmiņas. Neirozinātnieki jau sen bija domājuši, ka dienas pieredzei atkārtojoties nervu impulsu veidā miega laikā, šīs atmiņas lēnām pāriet no hipokampa un uz garozu, lai smadzenes varētu iegūt informāciju, lai radītu noteikumus par pasauli. Viņi arī zināja, ka dažus noteikumus garozā sintezēja ātrāk, taču esošie modeļi nevarēja izskaidrot, kā tas notika. Tomēr nesen pētnieki pētījumos ar dzīvniekiem ir izmantojuši optoģenētiskus rīkus, lai parādītu, ka hipokamps darbojas arī, lai izveidotu šīs ātri veidojošās kortikālās atmiņas.

Hipokamps palīdz ātri izveidot nenobriedušas atmiņas engrammas garozā, saka Takaši Kitamura , Teksasas Universitātes Dienvidrietumu medicīnas centra docents. Hipokamps joprojām māca garozu, taču bez optoģenētiskiem instrumentiem mēs, iespējams, nebūtu novērojuši nenobriedušās engrammas.

Vai ar atmiņām var manipulēt?

Atmiņas nav tik stabilas, kā varētu šķist . Pēc savas būtības viņiem ir jābūt spējīgiem mainīties, pretējā gadījumā mācīšanās nebūtu iespējama.

Gandrīz pirms desmit gadiem MIT pētnieki ģenētiski mainīja peles tā, ka tad, kad viņu neironi mācīšanās laikā bija aktīvi, šī darbība ieslēdza ChR2 gēnu, kas bija piesaistīts zaļi fluorescējošam proteīnam. Redzot, kuri neironi fluorescē, neirozinātnieki varēja noteikt, kuri no tiem ir iesaistīti mācībās. Un viņi varētu atkārtoti aktivizēt īpašas atmiņas, apgaismojot ChR2 gēnus, kas saistīti ar šiem neironiem.

Izmantojot šo spēju, MIT pētnieki peles smadzenēs ievietoja viltus atmiņu. Vispirms viņi ievietoja peles trīsstūrveida kastē, kas aktivizēja specifiskus ChR2 gēnus un neironus. Pēc tam viņi ievietoja peles kvadrātveida kastē un satricināja viņu kājas, vienlaikus apgaismojot ChR2 neironus, kas saistīti ar pirmo vidi.

Galu galā peles saistīja atmiņu par trīsstūra kasti ar triecieniem, lai gan tās tika šokētas tikai tad, kad tās atradās kvadrātveida kastē. Dzīvnieki baidījās no vides, kurā, tehniski runājot, nekad nav noticis nekas 'slikts', saka Stīvs Ramiress , pētījuma līdzautors, kurš tagad ir Bostonas universitātes neirozinātnes docents.

Nav iespējams izmantot šādas metodes, kas ietver optisko šķiedru kabeļus un lāzerus, lai eksperimentētu ar cilvēka smadzenēm, taču rezultāti par peļu smadzenēm liecina, cik viegli var manipulēt ar atmiņām.

Vai mēs varam redzēt atmiņas ārpus smadzenēm?

Cilvēka atmiņas var vizuāli rekonstruēt, izmantojot smadzeņu skenerus . Pētījumā, ko veica Brice Kūla , kurš tagad ir Oregonas Universitātes kognitīvās neirozinātnes docents, cilvēkiem tika doti attēli, lai tos skatītu, un viņu smadzenes tika skenētas ar MRI iekārtu, lai noteiktu, kuri reģioni ir aktīvi. Pēc tam tika apmācīts algoritms, lai uzminētu, ko persona skatās, un rekonstruētu attēlu, pamatojoties uz šo darbību. Algoritms arī rekonstruēja attēlus no dalībniekiem, kuriem tika lūgts paturēt prātā vienu no skatītajiem attēliem.

Šajos rekonstruētajos attēlos ir daudz iespēju uzlabot, taču šis darbs parādīja, ka neiroattēlveidošanas un rekonstrukcijas algoritmi patiešām var parādīt cilvēka atmiņu saturu, lai citi to varētu redzēt.

Tehnoloģija ir ļāvusi neirozinātniekiem ieskatīties smadzenēs un redzēt sīkās kvēlojošās atmiņas pēdas. Tomēr atklājums, ka pieredzi un zināšanas var implantēt vai izmantot ārēji, ir arī piešķīris atmiņai atšķirīgu nozīmi. Ko tas nozīmē mūsu izpratnei par to, kas mēs esam?

Džošua Sarinana ir neirozinātnieks, rakstnieks un tēlotājmākslas fotogrāfs.