Jak vidět paměť

Na někoho, kdo není superfanouškem Sherlocka, zná kognitivní neurovědkyně Janice Chenová detektivní hit BBC lépe než ostatní. S pomocí mozkového skeneru špehuje, co se děje v hlavách diváků, když sledují první díl seriálu, a pak popisuje zápletku.

Chenová, výzkumnice z Univerzity Johnse Hopkinse v Baltimoru ve státě Maryland, slyšela nejrůznější variace na úvodní scénu, kdy žena flirtuje s proslulým odměřeným detektivem v márnici. Někteří lidé považují Sherlocka Holmese za hrubého, jiní si myslí, že si nervózních návrhů ženy nevšímá. Chenová a její kolegové však při skenování mozků diváků zjistili něco zvláštního: když různí lidé převyprávěli své vlastní verze téže scény, jejich mozky vytvářely pozoruhodně podobné vzorce aktivity1.

Chenová patří k rostoucímu počtu vědců, kteří využívají zobrazování mozku k identifikaci vzorců aktivity zapojených do vytváření a vybavování si konkrétní vzpomínky. Výkonné technologické inovace v oblasti lidské a zvířecí neurovědy v posledním desetiletí umožňují vědcům odhalit základní pravidla o tom, jak se jednotlivé vzpomínky tvoří, organizují a vzájemně ovlivňují. Pomocí technik značení aktivních neuronů například týmy lokalizovaly obvody spojené se vzpomínkou na bolestivý podnět u hlodavců a úspěšně tyto dráhy reaktivovaly, aby vzpomínku vyvolaly. A u lidí studie identifikovaly znaky konkrétních vzpomínek, které odhalují některé způsoby, jak mozek organizuje a propojuje vzpomínky, aby napomohl jejich vybavování. Taková zjištění by jednoho dne mohla pomoci odhalit, proč vzpomínky selhávají ve stáří nebo při nemoci nebo jak se falešné vzpomínky vkrádají do výpovědí očitých svědků. Tyto poznatky by také mohly vést ke strategiím pro zlepšení učení a paměti.

Práce představuje dramatický odklon od předchozího výzkumu paměti, který identifikoval obecnější místa a mechanismy. „Výsledky od hlodavců a lidí se nyní skutečně spojují,“ říká neuroložka Sheena Josselynová z Nemocnice pro nemocné děti v kanadském Torontu. „Nedovedu si představit, že bych se chtěla zabývat něčím jiným.“

Pátrání po engramu

Fyzická stopa jediné vzpomínky – nazývaná také engram – dlouho unikala zachycení. Jako jeden z prvních se jí začal zabývat americký psycholog Karl Lashley, který tomuto hledání věnoval velkou část své kariéry. Přibližně od roku 1916 cvičil krysy, aby proběhly jednoduchým bludištěm, a poté zničil kus mozkové kůry, vnějšího povrchu mozku. Poté je do bludiště umístil znovu. Často se poškozená mozková tkáň příliš nezměnila. Rok za rokem zůstávala fyzická poloha krysích vzpomínek nepolapitelná. Když Lashley v roce 1950 shrnoval svou ambiciózní misi, napsal2: „Při přezkoumávání důkazů o lokalizaci paměťové stopy mám někdy pocit, že nutným závěrem je, že učení prostě není možné.“

Ukázalo se, že paměť je vysoce distribuovaný proces, který není vázán na jednu oblast mozku. A různé typy paměti zahrnují různé soubory oblastí. Mnoho struktur, které jsou důležité pro kódování a vybavování paměti, například hipokampus, leží mimo kůru mozkovou – a Lashley je z velké části přehlédl. Většina neurovědců se nyní domnívá, že určitý zážitek způsobí, že podskupina buněk v těchto oblastech začne hořet, změní svou genovou expresi, vytvoří nová spojení a změní sílu těch stávajících – změny, které společně uloží paměť. K vybavování dochází podle současných teorií tehdy, když tyto neurony znovu zažehnou a přehrají vzorce aktivity spojené s minulou zkušeností.

Vědci vypracovali některé základní principy tohoto širokého rámce. Testování teorií vyšší úrovně o tom, jak skupiny neuronů ukládají a načítají konkrétní kousky informací, je však stále náročné. Teprve v posledním desetiletí umožnily nové techniky označování, aktivace a umlčování specifických neuronů u zvířat vědcům přesně určit, které neurony tvoří jednu paměť (viz „Manipulace s pamětí“).

Josselyn pomohl vést tuto vlnu výzkumu jedněmi z prvních studií, které zachytily neurony engramů u myší3. V roce 2009 se svým týmem zvýšila hladinu klíčového paměťového proteinu zvaného CREB v některých buňkách v amygdale (oblast podílející se na zpracovávání strachu) a ukázala, že tyto neurony se obzvláště často aktivovaly, když se myši naučily a později si vybavily děsivou asociaci mezi zvukovým tónem a údery nohou. Vědci usoudili, že pokud jsou tyto buňky se zvýšeným obsahem CREB podstatnou součástí engramu strachu, pak by jejich odstranění vymazalo vzpomínku spojenou s tónem a odstranilo strach zvířat z něj. Tým tedy použil toxin, aby zničil neurony se zvýšenou hladinou CREB, a zvířata na svůj strach trvale zapomněla.

O několik měsíců později dosáhla skupina Alcina Silvy z Kalifornské univerzity v Los Angeles podobných výsledků a potlačila vzpomínky na strach u myší biochemickou inhibicí neuronů s nadprodukcí CREB4. Přitom také zjistili, že buňky s větším množstvím CREB jsou v daném okamžiku elektricky vzrušivější než jejich sousedé, což by mohlo vysvětlovat jejich připravenost zaznamenávat přicházející zážitky. „Současně naše laboratoře objevily něco zcela nového – že existují specifická pravidla, podle kterých se buňky stávají součástí engramu,“ říká Silva.

Tyto typy studií potlačování paměti však načrtávají pouze polovinu engramu. Aby vědci nade vší pochybnost prokázali, že se skutečně zabývají engramy, museli také vytvářet vzpomínky na požádání. V roce 2012 skupina Susumu Tonegawy z Massachusettského technologického institutu v Cambridge oznámila, že vytvořila systém, který to dokáže.

Genetickou manipulací mozkových buněk u myší mohli vědci označit střílející neurony proteinem citlivým na světlo. Zaměřili se na neurony v hipokampu, což je oblast důležitá pro zpracování paměti. Se zapnutým systémem značení dávali vědci zvířatům sérii šoků nohou. Neurony, které na šoky reagovaly, vylučovaly protein reagující na světlo, což vědcům umožnilo vyčlenit buňky, které tvoří paměť. Pomocí laserového světla pak mohli tyto neurony spustit a oživit tak pro myši nepříjemnou vzpomínku5. V navazující studii Tonegawův tým umístil myši do nové klece a poskytl jim šoky nohou, přičemž současně znovu aktivoval neurony, které tvořily engram „bezpečné“ klece. Když se myši vrátily do bezpečné klece, ztuhly strachem, což ukazuje, že vzpomínka na strach byla nesprávně spojena s bezpečným místem6. Práce jiných skupin ukázaly, že podobnou technikou lze označit a následně zablokovat danou vzpomínku7,8.

Tato sbírka prací několika skupin vytvořila pádný důkaz, že fyziologickou stopu vzpomínky – nebo alespoň klíčové složky této stopy – lze přiřadit ke konkrétním neuronům, říká Silva. Přesto jsou neurony v jedné části hipokampu nebo amygdaly jen nepatrnou součástí engramu strachu z nárazu nohy, který zahrnuje pohledy, pachy, zvuky a nespočet dalších vjemů. „Je to pravděpodobně v 10-30 různých oblastech mozku – to je jen divoký odhad,“ říká Silva.

Širší štětec

Pokroky v technologii zobrazování mozku u lidí dávají vědcům možnost přiblížit a podívat se na aktivitu celého mozku, která tvoří engram. Nejpoužívanější technika, funkční magnetická rezonance (fMRI), nedokáže rozlišit jednotlivé neurony, ale místo toho zobrazuje skvrny aktivity v různých oblastech mozku. Obvykle se fMRI používá k vytipování oblastí, které nejsilněji reagují na různé úkoly. V posledních letech však výkonné analýzy odhalily charakteristické vzorce nebo podpisy aktivity celého mozku, které se objevují, když si lidé vzpomínají na určité zážitky. „Je to jedna z nejdůležitějších revolucí v kognitivní neurovědě,“ říká Michael Kahana, neurolog z Pensylvánské univerzity ve Filadelfii.

Katalyzátorem této revoluce se stal vývoj techniky zvané multivoxelová analýza vzorců (MVPA). Tato statistická metoda, někdy nazývaná dekódování mozku, obvykle přivádí data z fMRI do počítačového algoritmu, který se automaticky učí neuronální vzorce spojené s konkrétními myšlenkami nebo zážitky. Sean Polyn – nyní neurolog na Vanderbiltově univerzitě v Nashvillu ve státě Tennessee – se v roce 2005 jako postgraduální student podílel na vedení zásadní studie, která poprvé aplikovala MVPA na lidskou paměť9. V jeho experimentu dobrovolníci studovali obrázky slavných osob, míst a běžných předmětů. Na základě dat fMRI shromážděných během tohoto období vědci vycvičili počítačový program, aby identifikoval vzorce aktivity spojené se studiem každé z těchto kategorií.

Později, když subjekty ležely ve skeneru a vyjmenovávaly všechny položky, které si dokázaly zapamatovat, se několik sekund před každou odpovědí znovu objevily neuronální podpisy specifické pro danou kategorii. Například před pojmenováním celebrity se objevil vzorec aktivity „podobný celebritám“, včetně aktivace oblasti mozkové kůry, která zpracovává obličeje. Byl to jeden z prvních přímých důkazů, že když si lidé vybavují konkrétní vzpomínku, jejich mozek se vrací ke stavu, v němž se nacházel v době, kdy tuto informaci kódoval. „Byla to velmi důležitá práce,“ říká Chen. „Rozhodně považuji svou vlastní práci za přímého následovníka.“

Chen a další od té doby zdokonalili své techniky dekódování vzpomínek se stále větší přesností. V případě Chenovy studie Sherlocka její skupina zjistila, že vzorce mozkové aktivity v 50 scénách úvodní epizody lze od sebe jasně odlišit. Tyto vzorce byly pozoruhodně specifické a občas rozlišovaly scény, které obsahovaly nebo neobsahovaly Sherlocka, a scény, které se odehrávaly v interiéru nebo exteriéru.

V hipokampu a v několika centrech zpracování na vysoké úrovni, jako je zadní mediální kůra, výzkumníci pozorovali, že se při pozdějším vyprávění každé osoby o epizodě objevily stejné vzorce sledování scén – i když lidé popisovali konkrétní scény odlišně1. Podobnou mozkovou aktivitu pozorovali dokonce i u lidí, kteří seriál nikdy neviděli, ale slyšeli o něm vyprávět jiné lidi10.

„Překvapilo nás, že vidíme stejný otisk, když si různí lidé vzpomínají na stejnou scénu, popisují ji vlastními slovy, vzpomínají na ni jakýmkoli způsobem,“ říká Chen. Výsledky naznačují, že mozek – dokonce i v oblastech vyššího řádu, které zpracovávají paměť, pojmy a komplexní poznávání – může být u různých lidí uspořádán podobněji, než se očekávalo.

Spojování vzpomínek

Když nové techniky umožní nahlédnout do engramu, mohou vědci začít studovat nejen to, jak se tvoří jednotlivé vzpomínky, ale i to, jak se vzpomínky vzájemně ovlivňují a mění v čase.

Neuroložka Lila Davachiová na Newyorské univerzitě používá MVPA ke studiu toho, jak mozek třídí vzpomínky, které mají společný překrývající se obsah. Ve studii z roku 2017 s Alexou Tomparyovou, tehdy postgraduální studentkou v její laboratoři, Davachiová ukazovala dobrovolníkům obrázky 128 předmětů, z nichž každý byl spárován s jednou ze čtyř scén – například scéna na pláži se objevila s hrnkem a pak s klávesnicí; městská krajina byla spárována s deštníkem atd. Každý objekt se objevil pouze s jednou scénou, ale se stejnou scénou se objevilo mnoho různých objektů11. Když dobrovolníci nejprve přiřazovali objekty k odpovídajícím scénám, každý objekt vyvolával jiný vzorec mozkové aktivace. O týden později se však neuronální vzorce při této vzpomínkové úloze začaly více podobat objektům spárovaným se stejnou scénou. Mozek reorganizoval vzpomínky podle společných informací o scéně. „Toto seskupení by mohlo představovat počátek učení se ‚podstatě‘ informace,“ říká Davachi.

Podle výzkumu neuroložky Alison Prestonové z Texaské univerzity v Austinu by shlukování příbuzných vzpomínek mohlo lidem také pomoci využívat předchozí znalosti k učení se nových věcí. Ve studii z roku 2012 skupina Prestonové zjistila, že když někteří lidé vidí jednu dvojici obrázků (například basketbalový míč a koně) a později uvidí jinou dvojici (například koně a jezero), která má společný prvek, jejich mozek znovu aktivuje vzorec spojený s první dvojicí12. Zdá se, že tato reaktivace spojuje tyto příbuzné dvojice obrázků; lidé, u nichž se tento efekt projevil během učení, později lépe rozpoznali souvislost – naznačenou, ale nikdy neviděnou – mezi dvěma obrázky, které se neobjevily společně (v tomto případě basketbalový míč a jezero). „Mozek vytváří spojení, která představují informace a znalosti, jež jsou mimo naše přímé pozorování,“ vysvětluje Preston. Tento proces by mohl pomoci při řadě každodenních činností, například při orientaci v neznámém prostředí odvozením prostorových vztahů mezi několika známými orientačními body. Schopnost propojovat související kousky informací a vytvářet nové myšlenky by mohla být důležitá také pro kreativitu nebo představování si budoucích scénářů.

V následné studii začal Preston zkoumat mechanismus propojování paměti a zjistil, že související vzpomínky se mohou spojit do jediné reprezentace, zejména pokud jsou vzpomínky získány těsně po sobě13. V pozoruhodné konvergenci Silvova práce také zjistila, že myši mají tendenci spojovat dvě vzpomínky vytvořené těsně v čase. V roce 2016 jeho skupina pozorovala, že když se myši naučily bát nárazů nohou v jedné kleci, začaly vyjadřovat strach i vůči neškodné kleci, kterou navštívily o několik hodin dříve14. Výzkumníci prokázali, že neurony kódující jednu vzpomínku zůstaly více excitované nejméně pět hodin po učení, což vytvořilo okno, ve kterém se mohl vytvořit částečně se překrývající engram. Když Silvův tým označil aktivní neurony, zjistil, že mnoho buněk se skutečně podílelo na obou vzpomínkách na klec.

Tato zjištění naznačují některé neurobiologické mechanismy, které spojují jednotlivé vzpomínky do obecnějších představ o světě. „Naše paměť nejsou jen kapsy a ostrůvky informací,“ říká Josselyn. „Ve skutečnosti vytváříme koncepty a spojujeme dohromady věci, které mají mezi sebou společná vlákna.“ Cenou za tuto flexibilitu však může být vytváření falešných nebo chybných vzpomínek: Silvovy myši se začaly bát neškodné klece, protože jejich vzpomínka na ni se vytvořila tak blízko v čase, že se bála jiné klece. Extrapolace jednotlivých zážitků do abstraktních pojmů a nových myšlenek představuje riziko ztráty některých detailů jednotlivých vzpomínek. Při oživování jednotlivých vzpomínek může dojít k jejich propojení nebo zmatení. „Paměť není stabilní fenomén,“ říká Preston.

Výzkumníci nyní chtějí prozkoumat, jak se konkrétní vzpomínky vyvíjejí v čase a jak mohou být při oživování přetvořeny, zkresleny nebo dokonce znovu vytvořeny. A díky možnosti identifikovat a manipulovat s jednotlivými neurony engramů u zvířat vědci doufají, že posílí své teorie o tom, jak buňky ukládají a podávají informace – teorie, které se dosud obtížně testovaly. „Tyto teorie jsou staré a opravdu intuitivní, ale ve skutečnosti jsme neznali mechanismy, které za nimi stojí,“ říká Preston. Zejména díky určení jednotlivých neuronů, které jsou pro dané vzpomínky zásadní, mohou vědci podrobněji studovat buněčné procesy, jimiž klíčové neurony získávají, načítají a ztrácejí informace. „Jsme teď tak trochu ve zlatém věku,“ říká Josselyn. „Máme k dispozici všechny tyto technologie, abychom si mohli klást některé velmi staré otázky.“