Kiedy słynny neurologiczny pacjent Henry Molaison w 1953 r.chirurgicznie wycięli hipokamp mózgu, aby leczyć napady padaczkowe, zrozumienie pamięci przez naukę nieumyślnie zyskało być może największy impuls w historii. Molaison stracił zdolność do tworzenia nowych wspomnień o wydarzeniach, a jego wspomnienie o wszystkim, co wydarzyło się w poprzednim roku, zostało poważnie osłabione. Inne rodzaje pamięci, takie jak uczenie się umiejętności fizycznych, były nienaruszone, co sugeruje, że hipokamp specjalnie zajmuje się przywoływaniem zdarzeń—znanych jako „epizodyczne” wspomnienia.
dalsze badania innych pacjentów z uszkodzeniem hipokampa potwierdziły, że ostatnie wspomnienia są bardziej upośledzone niż odległe. Wydaje się, że hipokamp zapewnia tymczasowe przechowywanie nowych informacji, podczas gdy inne obszary mogą obsługiwać pamięć długotrwałą. Zdarzenia, które później jesteśmy w stanie zapamiętać, wydają się być kierowane do bardziej trwałego przechowywania w korze mózgowej (zewnętrznych warstwach mózgu odpowiedzialnych za wyższe funkcje, takie jak planowanie i rozwiązywanie problemów). W korze mózgowej wspomnienia te tworzą się stopniowo, stając się zintegrowanymi z powiązanymi informacjami, aby zbudować trwałą wiedzę o nas samych i świecie.
wspomnienia epizodyczne, które są przeznaczone do długotrwałego przechowywania, gromadzą się, tworząc pamięć „autobiograficzną”, która jest tak istotna dla naszego poczucia tożsamości. Neurolodzy wiedzą wiele o tym, jak powstają wspomnienia krótkoterminowe w mózgu, ale procesy leżące u podstaw długoterminowego przechowywania nadal nie są dobrze zrozumiane.
nowe badanie opublikowane w tym miesiącu w Science, od neurobiologa Susumu Tonegawy i grupy kolegów z RIKEN–MIT Center for Neural Circuit Genetics, zapewnia wgląd w to, co dzieje się w mózgu, gdy powstaje pamięć długotrwała, podkreślając kluczową rolę przedniej części kory mózgowej. „Jest to najbardziej szczegółowa analiza obwodu wkładu kory przedczołowej w pobieranie pamięci, jaką mamy do tej pory”, mówi neurobiolog Stephen Maren z Teksasu a&M University in College Station, który nie był zaangażowany w prace.
nowe badanie grupy Tonegawy opiera się na wcześniejszych badaniach wykazujących, że epizodyczne wspomnienia są fizycznie reprezentowane w populacjach komórek części hipokampa. W tych badaniach naukowcy genetycznie modyfikowali myszy tak, że niektóre neurony wytwarzały wrażliwe na światło białka. Aktywność elektryczna i chemiczna w neuronach może być aktywowana lub wyłączana przez impulsy światła dostarczane przez kabel światłowodowy wszczepiony do czaszki każdej myszy, technika znana jako optogenetyka.
przewodowym myszom podano lek, który blokuje produkcję białek światłoczułych. Usunięcie myszy z leku pozwoliło komórkom, które eksplorowały nowe środowisko do wytwarzania białek, skutecznie „znakując” pamięć dla tego środowiska. Te grupy komórek, znane jako „engramy pamięci”, mogą być następnie kontrolowane za pomocą wiązek światłowodowych.
z tymi narzędziami w ręku, badacze podali myszom wstrząsy elektryczne do stóp w niektórych obudowach, ale nie w innych. Myszy zamarzły po ponownym umieszczeniu w środowisku, w którym były wcześniej zszokowane, co wskazuje na ” pamięć strachu.”Kiedy naukowcy aktywowali engramy, wywołało to tę samą przerażającą reakcję. Emocjonalne aspekty wspomnień są przechowywane oddzielnie, w regionie zwanym ciałem migdałowatym – ale aktywacja engramu w hipokampie aktywuje wszystkie powiązane elementy, przywracając pełną pamięć. Jest to podobne do tego, jak dźwięk lub zapach może wywołać rozległe przypomnienie sobie przeszłych doświadczeń w życiu.
w nowym badaniu naukowcy wytrenowali myszy, aby powiązać konkretną klatkę ze wstrząsami stóp. Następnie ich pamięć o tym, co się stało, była testowana w różne dni do trzech tygodni później. Naukowcy oznaczyli komórki engramu w korze mózgowej, a następnie aktywowali je światłem, powodując zamarzanie myszy w środowiskach, w których nigdy nie były zszokowane. Zespół odkrył, że engramy korowe nie mogą być aktywowane przez naturalne sygnały (umieszczane z powrotem w obudowie, gdzie byli zszokowani) dwa dni po treningu, ale mogły być aktywowane przez naturalne sygnały 13 dni później.
to odkrycie pokazuje, że chociaż engramy korowe tworzą się natychmiast, początkowo znajdują się w tym, co Tonegawa nazywa „cichym” stanem, co oznacza, że nie mogą być aktywowane przez naturalne sygnały. Engramy dojrzewają dopiero dwa tygodnie później do stanu „aktywnego”, w którym mogą reagować na takie sygnały. W przeciwieństwie do tego, komórki engramu hipokampa były aktywowane naturalnymi sygnałami drugiego dnia po otrzymaniu wstrząsu stopy, ale nie w dniu 13—wskazujące engramy w hipokampie stają się aktywne natychmiast, ale stopniowo zanikają w stanie „cichym”.
badania Tonegawy wskazują na istnienie komplementarnych systemów pamięci: jeden pozwala na szybkie tworzenie pamięci, ale ma ograniczoną pojemność, a zatem musi przekazywać informacje, które powinny zostać zachowane do innego systemu, który jest dłuższy, ale wolniej działający. To uwalnia przestrzeń w hipokampie, która może być ponownie wykorzystana. „Jest podział pracy. Hipokamp może bardzo szybko tworzyć aktywne wspomnienia, podczas gdy kora dba o długotrwałą stabilność”, wyjaśnia Tonegawa. „Jeśli nie potrzebujesz przedłużonej pamięci, wystarczy hipokamp; jeśli nie musisz szybko tworzyć aktywnej pamięci, wystarczy kora; ale chcemy obu.”
odkrycia pomagają wyjaśnić, kiedy i jak powstają wspomnienia korowe. Jedna z wcześniejszych teorii głosiła, że informacje są powoli przenoszone do kory mózgowej, ale odkrycia Tonegawy wspierają alternatywną ideę, że engramy korowe powstają natychmiast, ale potrzebują czasu na rozwój. „Kluczowym pytaniem, które rozwiązuje ta praca, jest to, czy engramy pamięci przemieszczają się z hipokampa do miejsc przechowywania kory mózgowej w czasie, czy są ustanawiane w korze mózgowej podczas uczenia się i demaskowane w miarę upływu czasu”, mówi Maren. „Jest to silny dowód na to ostatnie.”
zespół wykazał również, że blokowanie wejść do ciała migdałowatego z hipokampa podczas testowania pamięci osłabiało wydajność pamięci krótkotrwałej (testowane w drugim i ósmym dniu)-ale nie pamięci odległej (testowane w dniach 15 i 22)—podczas gdy blokowanie wejść do ciała migdałowatego z kory mózgowej wykazało przeciwny wzór. Innymi słowy, engramy pamięci w ciele migdałowatym były utrzymywane przez cały czas i były niezbędne do przywołania wspomnień strachu—ale nastąpiła zmiana, w którym regionie ciało migdałowate musiało być połączone, aby pamięć mogła funkcjonować. „Komórki, które pozwalają myszy zapamiętać strach przed wspomnieniem, są utrzymywane od pierwszego dnia do trzech tygodni później”, mówi Tonegawa. „Ale jest przełącznik w użyciu połączeń: po trzech tygodniach, gdy Engram hipokampa nie jest już aktywny, połączenie między engramem kory przedczołowej a engramem ciała migdałowatego pozwala zwierzęciu przypomnieć sobie pamięć strachu.”
badanie” dostarcza przekonujących dowodów na to, gdzie i kiedy określone neurony przyczyniają się do określonej formy pamięci w istotny sposób w określonych momentach podczas nauki i po jej zakończeniu”, mówi neurobiolog Howard Eichenbaum, dyrektor Centrum Pamięci i mózgu na Uniwersytecie Bostońskim, który nie był częścią badań. Mimo że jest to techniczny tour de force, praca pozostawia kilka otwartych pytań: „badanie nie mówi nam, czy istnieją inne komórki, które są ważne dla tego rodzaju pamięci, ani nic o innych rodzajach pamięci”, mówi. Co najważniejsze, dodaje, mówi nam tylko, że niektóre komórki, w niektórych regionach o określonych porach, tworzą wspomnienia, a nie w jaki sposób przyczyniają się do tego. „Jaki rodzaj przetwarzania informacji przyczynia się do kory przedczołowej”, mówi, ” który nie jest niezbędny do nauki lub wyszukiwania wkrótce po, ale który staje się niezbędny jakiś czas później?”Każdy zaangażowany region ma inne funkcje i przetwarza informacje na różne sposoby. Żadne nie są specjalnie dedykowane pamięci, która składa się ze śladów pozostawionych w trakcie przetwarzania doświadczeń przez te systemy neuronowe. Hipokamp, na przykład, reprezentuje informacje przestrzenne za pomocą komórek „miejsca”, które mapują środowisko, potencjalnie wyjaśniając, w jaki sposób może przyczynić się do” gdzie ” składowej pamięci epizodycznej. Nie jest jasne, jaką rolę odgrywa przetwarzanie kory przedczołowej, ale Eichenbaum spekuluje, że jego rola w organizowaniu i wyborze między alternatywami może być coraz bardziej istotna w miarę wieku wspomnień.
powoli zaczyna pojawiać się bardziej wyrazisty obraz sposobu działania pamięci, a te nowe odkrycia pomogą popchnąć dalsze badania nad różnymi rodzajami pamięci.