När den nu berömda neurologiska patienten Henry Molaison hade sin hjärnans hippocampus kirurgiskt sektionerad för att behandla anfall 1953, fick vetenskapens förståelse av minne oavsiktligt kanske sin största boost någonsin. Molaison förlorade förmågan att bilda nya minnen av händelser, och hans minne av allt som hade hänt under föregående år försämrades allvarligt. Andra typer av minne som att lära sig fysiska färdigheter påverkades inte, vilket tyder på att hippocampus specifikt hanterar återkallandet av händelser—kända som ”episodiska” minnen.
ytterligare forskning på andra patienter med hippocampal skada bekräftade att de senaste minnena är mer försämrade än avlägsna. Det verkar hippocampus ger tillfällig lagring för ny information medan andra områden kan hantera långtidsminnet. Händelser som vi senare kan komma ihåg verkar kanaliseras för mer permanent lagring i cortex (de yttre skikten i hjärnan som ansvarar för högre funktioner som planering och problemlösning). I cortex bildas dessa minnen gradvis och integreras med relaterad information för att bygga varaktig kunskap om oss själva och världen.
episodiska minnen som är avsedda för långvarig lagring ackumuleras för att bilda det ”självbiografiska” minnet som är så viktigt för vår känsla av identitet. Neuroscientists vet mycket om hur kortvariga minnen bildas i hjärnan men de processer som ligger till grund för långvarig lagring är fortfarande inte väl förstådda.
en ny studie publicerad denna månad i Science, från neuroscientist Susumu Tonegawa och en grupp kollegor vid RIKEN–MIT Center for Neural Circuit Genetics, ger insikt i vad som händer i hjärnan när ett långsiktigt minne bildas, vilket belyser den kritiska rollen för den främre delen av cortex. ”Det är den mest detaljerade kretsanalysen av prefrontal cortex bidrag till minneshämtning vi hittills har”, säger neuroscientist Stephen Maren från Texas a& M University i College Station, som inte var inblandad i arbetet.
den nya studien från Tonegawas grupp bygger på tidigare forskning som visar att episodiska minnen är fysiskt representerade i populationer av celler i delar av hippocampus. I dessa studier konstruerade forskarna genetiskt möss så att vissa neuroner producerade ljuskänsliga proteiner. Elektriska och kemiska aktiviteter i neuronerna kan sedan aktiveras eller stängas av av ljuspulser som levereras via en fiberoptisk kabel implanterad i varje musskalle, en teknik som kallas optogenetik.
de trådbundna mössen fick ett läkemedel som blockerar produktionen av de ljuskänsliga proteinerna. Att ta mössen från drogen tillät celler som skjuter medan de utforskade en ny miljö för att göra proteinerna, effektivt ”märka” minnet för den miljön. Dessa grupper av celler, kända som minne ”engram”, kunde sedan styras med de Fiberoptiska strålarna.med dessa verktyg i handen gav utredarna möss elektriska stötar på fötterna i några av sina höljen, men inte andra. Mössen frös när de sätts tillbaka i en miljö där de tidigare chockades, vilket indikerar ett ”rädsla minne.”När forskarna aktiverade engrammen åberopade detta samma rädda reaktion. De känslomässiga aspekterna av minnen lagras separat, i en region som kallas amygdala—men aktivering av engram i hippocampus aktiverar alla länkade komponenter, vilket ger tillbaka hela minnet. Detta liknar hur ett ljud eller lukt kan utlösa expansiv återkallelse av en tidigare erfarenhet i ens liv.
i den nya studien utbildade forskarna möss för att associera en specifik bur med fotchocker. Sedan testades deras minne om vad som hände på olika dagar upp till tre veckor senare. Forskarna taggade engram-celler i cortex och aktiverade dem sedan med ljus, vilket fick mössen att frysa i miljöer där de aldrig hade blivit chockade. Teamet fann att dessa kortikala engram inte kunde aktiveras av naturliga signaler (placeras tillbaka i höljet där de blev chockade) två dagar efter träning, men de kunde aktiveras av naturliga signaler 13 dagar efteråt.
detta resultat visar att även om kortikala engram bildas omedelbart, är de initialt i vad Tonegawa kallar ett ”tyst” tillstånd, vilket betyder att de inte kan aktiveras av naturliga signaler. Engramerna mognar bara två veckor senare till ett” aktivt ” tillstånd, där de kan svara på sådana signaler. Däremot aktiverades hippocampal engram-celler av naturliga signaler den andra dagen efter att ha fått en fotchock, men inte på dag 13—vilket indikerar att engram i hippocampus blir aktiva omedelbart, men gradvis bleknar i ett ”tyst” tillstånd.Tonegawas forskning pekar på förekomsten av komplementära minnessystem: man möjliggör snabb minnesbildning men har begränsad kapacitet och behöver därför överföra information som bör behållas till ett annat system som är längre men långsammare. Detta frigör utrymme i hippocampus som sedan kan återanvändas. ”Det finns en arbetsfördelning. Hippocampus kan bilda aktiva minnen mycket snabbt, medan cortex tar hand om långsiktig stabilitet,” förklarar Tonegawa. ”Om du inte behöver långvarigt minne räcker hippocampus; om du inte behöver bilda aktivt minne snabbt räcker cortexen; men vi vill ha båda.”
resultaten hjälper till att klargöra när och hur kortikala minnen bildas. En tidigare teori ansåg att information långsamt överförs till cortex, men Tonegawas resultat stöder den alternativa tanken att kortikala engram bildas omedelbart men behöver tid att utvecklas. ”Den viktigaste frågan som detta arbete löser är om minne engram flyttar från hippocampus till kortikala lagringsplatser över tid eller är etablerade i cortex under inlärning och avmaskeras när tiden går”, säger Maren. ”Detta är starka bevis för den senare.”
teamet visade också att blockering av ingångar till amygdala från hippocampus under minnestestning försämrade korttidsminnets prestanda (testad på andra och åttonde dagen)-men inte avlägset minne (testat på dag 15 och 22)—medan blockering av ingångar till amygdala från cortex visade motsatt mönster. Med andra ord upprätthölls minne engram i amygdala hela tiden och var nödvändiga för att återkalla rädsla minnen—men det skedde en förändring i vilken region amygdala behövde anslutas till för att minnet skulle fungera. ”Cellerna som tillåter en mus att komma ihåg rädslan för ett minne upprätthålls från dag 1 till tre veckor senare”, säger Tonegawa. ”Men det finns en omkopplare i användningen av anslutningar: vid tre veckor, när hippocampus engram inte längre är aktivt, tillåter anslutningen mellan prefrontal cortex engram och amygdala engram djuret att återkalla rädslans minne.”
studien ”ger övertygande bevis om var och när specifika neuroner bidrar till en viss form av minne på ett väsentligt sätt vid vissa tider under och efter inlärning”, säger neuroscientist Howard Eichenbaum, chef för Center for Memory and Brain vid Boston University, som inte var en del av forskningen. Även om det är en teknisk tour de force, lämnar papperet flera öppna frågor:” studien berättar inte om det finns andra celler som är viktiga för denna typ av minne eller något om andra typer av minne”, säger han. Viktigast, tillägger han, det berättar bara för oss att vissa celler, i vissa regioner vid specifika tider, skapar minnen—inte hur de bidrar till att göra det. ”Vilken typ av informationsbehandling bidrar den prefrontala cortexen,” säger han, ”det är inte nödvändigt för lärande eller hämtning strax efter men som blir viktigt någon gång senare?”Varje involverad region har olika funktioner och bearbetar information på olika sätt. Ingen är specifikt tillägnad minne, som består av spår kvar när dessa neurala system bearbetar upplevelser. Hippocampus representerar till exempel rumslig information med hjälp av ”placera” celler som kartlägger miljön, vilket potentiellt förklarar hur det kan bidra till ”var” – komponenten i episodiskt minne. Det är inte klart vilken roll prefrontal cortexbehandling spelar men Eichenbaum spekulerar i sin roll i att organisera och välja mellan alternativ kan bli alltmer relevanta när minnen åldras.
en mer skarp bild av hur minnet fungerar börjar långsamt dyka upp och dessa nya fynd hjälper till att driva vidare forskning om olika typer av minne.