Kognitiivinen neurotieteilijä Janice Chen tuntee BBC:n menestyksekkään salapoliisidraaman paremmin kuin moni muu, vaikka ei olekaan Sherlock-superfani. Hän vakoilee aivoskannerin avulla, mitä katsojien päässä tapahtuu, kun he katsovat sarjan ensimmäistä jaksoa, ja kuvailee sitten juonta.
Chen, joka työskentelee tutkijana Johns Hopkinsin yliopistossa Baltimoressa, Marylandissa, on kuullut kaikenlaisia variaatioita ensimmäisestä kohtauksesta, jossa nainen flirttailee tunnetusti etäisen etsivän kanssa ruumishuoneella. Joidenkin mielestä Sherlock Holmes on töykeä, kun taas toisten mielestä hän ei välitä naisen hermostuneista lähentelyistä. Chen ja hänen kollegansa havaitsivat kuitenkin jotain outoa, kun he skannasivat katsojien aivoja: kun eri ihmiset kertoivat uudelleen omat versionsa samasta kohtauksesta, heidän aivonsa tuottivat huomattavan samankaltaisia aktiivisuusmalleja1.
Chen kuuluu kasvavaan joukkoon tutkijoita, jotka käyttävät aivokuvantamista tunnistaakseen aktiivisuusmallit, jotka liittyvät tietyn muistin luomiseen ja muistamiseen. Ihmisten ja eläinten neurotieteessä viime vuosikymmenen aikana tehdyt tehokkaat teknologiset innovaatiot antavat tutkijoille mahdollisuuden paljastaa perussääntöjä siitä, miten yksittäiset muistot muodostuvat, järjestäytyvät ja ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Käyttämällä aktiivisten neuronien merkitsemistekniikoita tutkimusryhmät ovat esimerkiksi paikantaneet jyrsijöiden kivuliaan ärsykkeen muistiin liittyvät virtapiirit ja onnistuneet aktivoimaan nämä reitit uudelleen muistin laukaisemiseksi. Ihmisillä tehdyissä tutkimuksissa on tunnistettu tiettyjen muistojen merkkejä, jotka paljastavat joitakin tapoja, joilla aivot järjestävät ja yhdistävät muistoja muistamisen helpottamiseksi. Tällaiset havainnot voivat jonain päivänä auttaa paljastamaan, miksi muistot pettävät vanhuudessa tai sairauksissa tai miten väärät muistot hiipivät silminnäkijänlausuntoihin. Nämä oivallukset voivat myös johtaa strategioihin oppimisen ja muistin parantamiseksi.
Kuuntele Sheena Josselynin kuvausta työstä muistin kuvittamiseksi mielessä.
Selaimesi ei tue äänielementtiä.
Työ edustaa dramaattista eroa aiempaan muistitutkimukseen, jossa tunnistettiin yleisempiä paikkoja ja mekanismeja. ”Jyrsijöistä ja ihmisistä saadut tulokset ovat nyt todella yhdistymässä”, sanoo neurotieteilijä Sheena Josselyn Kanadan Torontossa sijaitsevasta Hospital for Sick Children -sairaalasta. ”En voi kuvitella haluavani tarkastella mitään muuta.”
Engrammin etsinnässä
Yksittäisen muistin fyysinen jälki – jota kutsutaan myös engrammiksi – on pitkään vältellyt kiinniottoa. Yhdysvaltalainen psykologi Karl Lashley oli ensimmäisten joukossa etsimässä sitä ja omisti suuren osan urastaan etsinnälle. Noin vuonna 1916 hän koulutti rotat juoksemaan yksinkertaisen labyrintin läpi ja tuhosi sitten palan aivokuorta, aivojen ulkopintaa. Sitten hän laittoi ne uudelleen labyrinttiin. Usein vaurioituneella aivokudoksella ei ollut juurikaan vaikutusta. Vuosi toisensa jälkeen rottien muistojen fyysinen sijainti jäi hämärän peittoon. Yhteenvetona kunnianhimoisesta tehtävästään Lashley kirjoitti vuonna 19502: ”Tarkastellessani muistijäljen paikallistamista koskevia todisteita minusta tuntuu joskus siltä, että välttämätön johtopäätös on, että oppiminen ei yksinkertaisesti ole mahdollista.”
Muisti, kuten kävi ilmi, on hyvin hajautettu prosessi, joka ei ole sidottu mihinkään tiettyyn aivojen alueeseen. Ja erityyppiseen muistiin liittyy erilaisia alueita. Monet muistin koodaamisen ja hakemisen kannalta tärkeät rakenteet, kuten hippokampus, sijaitsevat aivokuoren ulkopuolella – ja Lashley jätti ne suurelta osin huomiotta. Useimmat neurotieteilijät uskovat nykyään, että tietty kokemus aiheuttaa sen, että osa soluista näillä alueilla laukeaa, muuttaa geeniekspressiotaan, muodostaa uusia yhteyksiä ja muuttaa olemassa olevien yhteyksien voimakkuutta – muutoksia, jotka yhdessä tallentavat muistin. Nykyisten teorioiden mukaan muistaminen tapahtuu, kun nämä neuronit laukeavat uudelleen ja toistavat aiempaan kokemukseen liittyvät aktiivisuusmallit.
Tutkijat ovat selvittäneet joitakin tämän laajan kehyksen perusperiaatteita. Mutta korkeamman tason teorioiden testaaminen siitä, miten neuroniryhmät tallentavat ja hakevat tiettyjä tiedonpalasia, on edelleen haastavaa. Vasta viime vuosikymmenen aikana tutkijat ovat voineet uusien tekniikoiden avulla, joiden avulla eläimissä voidaan merkitä, aktivoida ja hiljentää tiettyjä neuroneja, määrittää tarkasti, mitkä neuronit muodostavat yksittäisen muistin (ks. ”Muistin manipulointi”).
Credit: Jasiek Krzysztofiak/Nature
Josselyn auttoi johtamaan tätä tutkimusaaltoa joillakin varhaisimmista tutkimuksista, joissa kaapattiin engram-neuroneja hiirissä3. Vuonna 2009 hän ja hänen ryhmänsä lisäsivät CREB-nimisen keskeisen muistiproteiinin määrää joissakin amygdalan (pelon käsittelyyn osallistuva alue) soluissa ja osoittivat, että nämä neuronit syttyivät erityisen todennäköisesti, kun hiiret oppivat ja myöhemmin muistivat pelottavan assosioinnin kuuloäänen ja jalkaiskujen välillä. Tutkijat päättelivät, että jos nämä CREB:tä vahvistavat solut olivat olennainen osa pelon engrammia, niiden poistaminen poistaisi äänimerkkiin liittyvän muistin ja poistaisi eläinten pelon sitä kohtaan. Niinpä tutkimusryhmä käytti myrkkyä tappaakseen neuronit, joiden CREB-tasot olivat koholla, ja eläimet unohtivat pysyvästi pelkonsa.
Muutamaa kuukautta myöhemmin Alcino Silvan ryhmä Kalifornian yliopistossa Los Angelesissa saavutti samankaltaisia tuloksia tukahduttamalla hiirten pelkomuistoja estämällä biokemiallisesti CREB:tä liikaa tuottavia neuroneja4. Samalla he havaitsivat myös, että solut, joissa on enemmän CREB:tä, ovat tiettynä hetkenä sähköisesti jännittyneempiä kuin niiden naapurit, mikä voisi selittää niiden valmiuden tallentaa tulevia kokemuksia. ”Samanaikaisesti laboratoriomme löysivät jotain aivan uutta – että on olemassa erityisiä sääntöjä, joiden mukaan soluista tulee osa engrammia”, Silva sanoo.
Mutta tämäntyyppiset muistisuppressiotutkimukset hahmottelevat vain puolet engrammista. Todistaakseen kiistatta, että tutkijat todella tutkivat engrammeja, heidän oli tuotettava muistoja myös pyynnöstä. Vuonna 2012 Susumu Tonegawan ryhmä Massachusettsin teknologiainstituutissa Cambridgessa kertoi luoneensa järjestelmän, joka pystyi tekemään juuri niin.
Tutkijat pystyivät hiirten aivosoluja geneettisesti manipuloimalla merkitsemään palavat neuronit valoherkällä proteiinilla. He tähtäsivät neuroneihin hippokampuksessa, joka on muistin käsittelyn kannalta olennainen alue. Kun merkintäjärjestelmä oli kytketty päälle, tutkijat antoivat eläimille sarjan jalkoiskuja. Neuronit, jotka reagoivat iskuihin, tuottivat valolle herkkää proteiinia, minkä ansiosta tutkijat pystyivät erottamaan muistin muodostavat solut. Tämän jälkeen he pystyivät laukaisemaan nämä neuronit laservalolla, mikä herätti hiirissä epämiellyttävän muiston henkiin5. Seurantatutkimuksessa Tonegawan työryhmä asetti hiiret uuteen häkkiin ja antoi jalkasokkeja, ja samalla ne aktivoivat uudelleen neuronit, jotka muodostivat ”turvallisen” häkin engrammin. Kun hiiret palautettiin turvalliseen häkkiin, ne jähmettyivät pelosta, mikä osoitti, että pelkoa herättävä muisto oli virheellisesti yhdistetty turvalliseen paikkaan6. Muiden ryhmien työ on osoittanut, että samanlaista tekniikkaa voidaan käyttää tietyn muistin merkitsemiseen ja sen jälkeen estämiseen7,8.
Tämä useiden ryhmien työ on luonut vahvan perustan sille, että muistin fysiologinen jälki – tai ainakin tämän jäljen keskeiset osatekijät – voidaan osoittaa tiettyihin neuroneihin, Silva sanoo. Silti neuronit jossakin hippokampuksen tai amygdalan osassa ovat vain pieni osa pelkoa aiheuttavaa jalkatärähdyksen engrammia, johon liittyy näkymiä, hajuja, ääniä ja lukemattomia muita aistimuksia. ”Se on luultavasti 10-30 eri aivoalueella – se on vain villi arvaus”, Silva sanoo.
Leveämpi sivellin
Aivojen kuvantamistekniikan kehittyminen ihmisillä antaa tutkijoille mahdollisuuden zoomata ja tarkastella koko aivojen laajuista toimintaa, josta engrammi koostuu. Yleisimmin käytetty tekniikka, funktionaalinen magneettikuvaus (fMRI), ei pysty erottamaan yksittäisiä neuroneja, vaan näyttää sen sijaan aktiivisuuden rykelmiä eri aivoalueilla. Perinteisesti fMRI:tä on käytetty sellaisten alueiden erottamiseen, jotka reagoivat voimakkaimmin erilaisiin tehtäviin. Viime vuosina tehokkaat analyysit ovat kuitenkin paljastaneet aivojen laajuisen aktiivisuuden erityiset kuviot, jotka ilmenevät, kun ihmiset muistelevat tiettyjä kokemuksia. ”Tämä on yksi kognitiivisen neurotieteen tärkeimmistä mullistuksista”, sanoo Michael Kahana, Philadelphiassa sijaitsevan Pennsylvanian yliopiston neurotieteilijä.
Tämän vallankumouksen katalysoi monivokselikuvioanalyysiksi (MVPA) kutsutun tekniikan kehittäminen. Joskus aivojen dekoodaukseksi kutsuttu tilastollinen menetelmä syöttää tyypillisesti fMRI-dataa tietokonealgoritmiin, joka oppii automaattisesti tiettyihin ajatuksiin tai kokemuksiin liittyvät hermokuviot. Jatko-opiskelijana vuonna 2005 Sean Polyn – nykyään neurotieteilijä Vanderbiltin yliopistossa Nashvillessä, Tennesseessä – auttoi johtamaan uraauurtavaa tutkimusta, jossa MVPA:ta sovellettiin ensimmäistä kertaa ihmisen muistiin9. Hänen kokeessaan vapaaehtoiset tutkivat kuvia kuuluisista henkilöistä, paikoista ja tavallisista esineistä. Käyttämällä tänä aikana kerättyjä fMRI-tietoja tutkijat kouluttivat tietokoneohjelman tunnistamaan aktiivisuusmallit, jotka liittyivät kunkin kategorian opiskeluun.
Myöhemmin, kun koehenkilöt makasivat skannerissa ja listasivat kaikki kohteet, jotka he pystyivät muistamaan, kategoriakohtaiset neuraaliset allekirjoitukset ilmaantuivat uudelleen muutama sekunti ennen jokaista vastausta. Esimerkiksi ennen julkkiksen nimeämistä ilmeni ”julkkiksen kaltainen” aktiivisuusmalli, johon kuului kasvoja käsittelevän aivokuoren alueen aktivoituminen. Tämä oli ensimmäisiä suoria todisteita siitä, että kun ihmiset hakevat tietyn muiston, heidän aivonsa palaavat siihen tilaan, jossa ne olivat koodatessaan kyseistä tietoa. ”Se oli hyvin tärkeä artikkeli”, Chen sanoo. ”Pidän omaa työtäni ehdottomasti suorana jälkeläisenä.”
Chen ja muut ovat sittemmin kehittäneet tekniikoitaan purkaakseen muistoja yhä tarkemmin. Chenin Sherlock-tutkimuksissa hänen ryhmänsä havaitsi, että avausjakson 50 kohtauksen aivotoiminnan mallit voitiin selvästi erottaa toisistaan. Nämä kuviot olivat huomattavan spesifisiä, ja toisinaan ne erottelivat toisistaan kohtaukset, joissa oli tai ei ollut Sherlockia, ja kohtaukset, jotka tapahtuivat sisällä tai ulkona.
Hippokampuksen lähellä ja useissa korkean tason prosessointikeskuksissa, kuten posteriorisessa mediaalisessa aivokuoressa, tutkijat näkivät samojen kohtauskuvioiden kehittyvän, kun kukin henkilö myöhemmin kertoi jakson – vaikka ihmiset kuvailivatkin tietyt kohtaukset eri tavoin1. He jopa havaitsivat samanlaista aivotoimintaa ihmisillä, jotka eivät olleet koskaan nähneet sarjaa, mutta olivat kuulleet muiden kertomuksia siitä10.
”Oli yllätys, että näemme saman sormenjäljen, kun eri ihmiset muistavat saman kohtauksen, kuvaavat sitä omin sanoin, muistavat sen millä tahansa tavalla”, Chen sanoo. Tulokset viittaavat siihen, että aivot – jopa muistia, käsitteitä ja monimutkaista kognitiota käsittelevillä korkeamman asteen alueilla – saattavat olla järjestäytyneet eri ihmisillä odotettua samanlaisemmin.
Muistojen yhdistäminen
Kun uudet tekniikat tuovat välähdyksen engrammista, tutkijat voivat alkaa tutkia paitsi sitä, miten yksittäiset muistot muodostuvat, myös sitä, miten muistot ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja miten ne muuttuvat ajan myötä.
New Yorkin yliopistossa neurotieteilijä Lila Davachi tutkii MVPA:n avulla, miten aivot lajittelevat muistoja, joilla on päällekkäistä sisältöä. Vuonna 2017 tehdyssä tutkimuksessa Alexa Tomparyn kanssa, joka oli tuolloin jatko-opiskelijana hänen laboratoriossaan, Davachi näytti vapaaehtoisille kuvia 128 esineestä, joista kukin oli yhdistetty yhteen neljästä kohtauksesta – rantakohtaus näkyi esimerkiksi mukin ja sitten näppäimistön kanssa; kaupunkikuva oli yhdistetty sateenvarjon kanssa ja niin edelleen. Kukin esine esiintyi vain yhden kohtauksen kanssa, mutta monet eri esineet esiintyivät saman kohtauksen kanssa11. Kun vapaaehtoiset aluksi vertasivat esineitä vastaaviin kohtauksiin, kukin esine sai aikaan erilaisen aivojen aktivoitumismallin. Viikkoa myöhemmin neuraaliset kuviot olivat kuitenkin muuttuneet samankaltaisemmiksi tämän muistelutehtävän aikana, kun kohteet oli yhdistetty samaan kohtaukseen. Aivot olivat järjestäneet muistot uudelleen niiden yhteisen kohtaustiedon mukaan. ”Tämä ryhmittyminen voi edustaa alkua tiedon ”ydinaineksen” oppimiselle”, Davachi sanoo.
Yhteensopivien muistojen klusterointi voisi myös auttaa ihmisiä käyttämään aiempaa tietoa uusien asioiden oppimiseen, kertoo neurotieteilijä Alison Prestonin tutkimus Texasin yliopistossa Austinissa. Prestonin ryhmä havaitsi vuonna 2012 tekemässään tutkimuksessa, että kun jotkut ihmiset katsovat yhtä kuvaparia (kuten koripalloa ja hevosta) ja näkevät myöhemmin toisen kuvaparin (kuten hevosen ja järven), jolla on yhteinen kohde, heidän aivonsa aktivoivat uudelleen ensimmäiseen kuvapariin liittyvän kuvion12. Tämä reaktivaatio näyttää sitovan nämä toisiinsa liittyvät kuvaparit toisiinsa; ihmiset, jotka osoittivat tätä vaikutusta oppimisen aikana, pystyivät myöhemmin paremmin tunnistamaan yhteyden – joka oli oletettu, mutta jota ei koskaan nähty – niiden kahden kuvan välillä, jotka eivät esiintyneet yhdessä (tässä tapauksessa koripallo ja järvi). ”Aivot muodostavat yhteyksiä, jotka edustavat tietoa ja tietämystä, joka on suoran havaintomme ulkopuolella”, Preston selittää. Tämä prosessi voisi auttaa monissa jokapäiväisissä toiminnoissa, kuten tuntemattomassa ympäristössä suunnistamisessa päättelemällä muutaman tunnetun maamerkin välisiä tilasuhteita. Kyky yhdistää toisiinsa liittyviä tiedonpalasia uusiksi ideoiksi voisi olla tärkeää myös luovuuden tai tulevaisuuden skenaarioiden kuvittelun kannalta.
Jatkotutkimuksessaan Preston on alkanut tutkia muistien yhdistämisen taustalla olevaa mekanismia ja havainnut, että toisiinsa liittyvät muistot voivat sulautua yhdeksi representaatioksi, etenkin jos muistot on hankittu lähekkäin peräkkäin13. Silvan tutkimuksissa on myös havaittu, että hiirillä on taipumus yhdistää kaksi ajallisesti lähekkäin muodostunutta muistoa. Vuonna 2016 hänen ryhmänsä havaitsi, että kun hiiret oppivat pelkäämään jalkaiskuja yhdessä häkissä, ne alkoivat myös ilmaista pelkoa harmitonta häkkiä kohtaan, jossa ne olivat käyneet muutamaa tuntia aiemmin14. Tutkijat osoittivat, että yhtä muistia koodaavat neuronit pysyivät kiihtyneempinä ainakin viisi tuntia oppimisen jälkeen, mikä loi ikkunan, jossa osittain päällekkäinen engrammi saattoi muodostua. Kun he merkitsivät aktiivisia neuroneja, Silvan ryhmä havaitsi, että monet solut osallistuivat molempiin häkkimuistoihin.
Nämä havainnot viittaavat joihinkin neurobiologisiin mekanismeihin, jotka yhdistävät yksittäiset muistot yleisempiin käsityksiin maailmasta. ”Muistimme ei ole pelkkiä informaatiotaskuja ja -saarekkeita”, Josselyn sanoo. ”Me itse asiassa rakennamme käsitteitä ja yhdistämme toisiinsa asioita, joiden välillä on yhteisiä säikeitä.” Tämän joustavuuden hintana voi kuitenkin olla väärien tai virheellisten muistojen muodostuminen: Silvan hiiret alkoivat pelätä harmitonta häkkiä, koska niiden muisti siitä oli muodostunut ajallisesti niin lähellä pelottavaa muistoa toisesta häkistä. Yksittäisten kokemusten ekstrapoloinnissa abstrakteiksi käsitteiksi ja uusiksi ideoiksi on vaarana, että yksittäisistä muistoista menetetään joitakin yksityiskohtia. Ja kun ihmiset hakevat yksittäisiä muistoja, ne saattavat liittyä toisiinsa tai sekoittua. ”Muisti ei ole vakaa ilmiö”, Preston sanoo.
Tutkijat haluavat nyt tutkia, miten tietyt muistot kehittyvät ajan myötä ja miten niitä saatetaan muokata, vääristää tai jopa luoda uudelleen, kun niitä haetaan. Kun eläimissä pystytään tunnistamaan ja manipuloimaan yksittäisiä engram-neuroneja, tutkijat toivovat voivansa vahvistaa teorioitaan siitä, miten solut tallentavat ja tarjoavat tietoa – teorioita, joita on ollut vaikea testata. ”Nämä teoriat ovat vanhoja ja todella intuitiivisia, mutta emme todellakaan tienneet niiden taustalla olevia mekanismeja”, Preston sanoo. Erityisesti yksilöimällä yksittäiset neuronit, jotka ovat välttämättömiä tietyille muistoille, tutkijat voivat tutkia yksityiskohtaisemmin soluprosesseja, joiden avulla keskeiset neuronit hankkivat, hakevat ja menettävät tietoa. ”Elämme nyt tavallaan kulta-aikaa”, Josselyn sanoo. ”Meillä on kaikki tämä teknologia, jonka avulla voimme kysyä joitakin hyvin vanhoja kysymyksiä.”