Jak zobaczyć pamięć

Jak na kogoś, kto nie jest superfanem Sherlocka, neuronaukowiec poznawczy Janice Chen zna hitowy dramat detektywistyczny BBC lepiej niż większość. Z pomocą skanera mózgu szpieguje to, co dzieje się w głowach widzów, gdy oglądają pierwszy odcinek serialu, a następnie opisuje fabułę.

Chen, badaczka z Johns Hopkins University w Baltimore w stanie Maryland, słyszała najróżniejsze wariacje na temat początkowej sceny, gdy kobieta flirtuje ze słynnym powściągliwym detektywem w kostnicy. Niektórzy uważają, że Sherlock Holmes jest niegrzeczny, a inni, że nie zwraca uwagi na nerwowe zaloty kobiety. Ale Chen i jej koledzy odkryli coś dziwnego, kiedy przeskanowali mózgi widzów: kiedy różni ludzie opowiadali swoje własne wersje tej samej sceny, ich mózgi wytwarzały nadzwyczaj podobne wzorce aktywności1.

Chen należy do rosnącej liczby badaczy wykorzystujących obrazowanie mózgu do identyfikacji wzorców aktywności zaangażowanych w tworzenie i przywoływanie konkretnych wspomnień. Potężne innowacje technologiczne w neurobiologii ludzi i zwierząt w ostatniej dekadzie pozwalają badaczom odkryć fundamentalne zasady dotyczące tego, jak poszczególne wspomnienia tworzą się, organizują i wchodzą ze sobą w interakcje. Na przykład, stosując techniki znakowania aktywnych neuronów, zespoły badawcze zlokalizowały obwody związane z pamięcią bolesnego bodźca u gryzoni i skutecznie reaktywowały te ścieżki, aby wywołać wspomnienie. A u ludzi, badania zidentyfikowały sygnatury poszczególnych wspomnień, które ujawniają niektóre ze sposobów, w jaki mózg organizuje i łączy wspomnienia, aby ułatwić ich przypominanie. Takie odkrycia mogą pewnego dnia pomóc odkryć, dlaczego wspomnienia zawodzą w starszym wieku lub w przypadku choroby, albo jak fałszywe wspomnienia wkradają się do zeznań świadków. Te spostrzeżenia mogą również doprowadzić do opracowania strategii poprawy uczenia się i pamięci.

Praca stanowi dramatyczne odejście od poprzednich badań nad pamięcią, które zidentyfikowały bardziej ogólne lokalizacje i mechanizmy. „Wyniki uzyskane od gryzoni i ludzi są teraz naprawdę zbieżne” – mówi neurobiolog Sheena Josselyn z Hospital for Sick Children w Toronto w Kanadzie. „Nie wyobrażam sobie, że chciałabym spojrzeć na coś innego.”

W poszukiwaniu engramu

Fizyczny ślad pojedynczej pamięci – zwany też engramem – długo wymykał się uchwyceniu. Amerykański psycholog Karl Lashley był jednym z pierwszych, którzy zajęli się tym zagadnieniem i poświęcił mu znaczną część swojej kariery. Zaczynając około 1916 roku, wytresował szczury, by biegały po prostym labiryncie, a następnie zniszczył kawałek kory mózgowej, zewnętrznej powierzchni mózgu. Następnie ponownie umieszczał je w labiryncie. Często uszkodzona tkanka mózgowa nie robiła większej różnicy. Rok po roku, fizyczna lokalizacja wspomnień szczurów pozostawała nieuchwytna. Podsumowując swoją ambitną misję w 1950 roku, Lashley napisał2: „Czasami czuję, przeglądając dowody na lokalizację śladu pamięciowego, że koniecznym wnioskiem jest to, że uczenie się jest po prostu niemożliwe.”

Pamięć, jak się okazuje, jest procesem wysoce rozproszonym, nie przypisanym do jednego regionu mózgu. A różne rodzaje pamięci angażują różne zestawy obszarów. Wiele struktur, które są ważne dla kodowania i odzyskiwania pamięci, takich jak hipokamp, leży poza korą – i Lashley w dużej mierze je przeoczył. Większość neuronaukowców uważa obecnie, że dane doświadczenie powoduje, że podzbiór komórek w tych regionach zapala się, zmienia ekspresję genów, tworzy nowe połączenia i zmienia siłę istniejących – zmiany, które wspólnie przechowują pamięć. Przypomnienie, zgodnie z obecnymi teoriami, występuje wtedy, gdy te neurony strzelają ponownie i odtwarzają wzorce aktywności związane z przeszłym doświadczeniem.

Naukowcy wypracowali pewne podstawowe zasady tej szerokiej struktury. Ale testowanie teorii wyższego poziomu na temat tego, jak grupy neuronów przechowują i odzyskują konkretne bity informacji, wciąż stanowi wyzwanie. Dopiero w ostatniej dekadzie nowe techniki znakowania, aktywacji i wyciszania konkretnych neuronów u zwierząt pozwoliły badaczom określić, które neurony składają się na pojedynczą pamięć (patrz 'Manipulowanie pamięcią’).

Josselyn pomogła przewodzić tej fali badań, przeprowadzając jedne z najwcześniejszych badań nad wychwytywaniem neuronów engramowych u myszy3. W 2009 r. ona i jej zespół podnieśli poziom kluczowego białka pamięci o nazwie CREB w niektórych komórkach w migdałku (obszar zaangażowany w przetwarzanie strachu) i wykazali, że neurony te były szczególnie skłonne do zapalenia się, gdy myszy nauczyły się, a następnie przypomniały sobie, budzące strach skojarzenie między dźwiękiem słuchowym a uderzeniami stóp. Naukowcy doszli do wniosku, że jeśli te komórki pobudzone CREB są istotną częścią engramu strachu, to ich wyeliminowanie wymaże pamięć związaną z tonem i pozbawi zwierzęta strachu przed nim. Zespół użył więc toksyny do zabicia neuronów z podwyższonym poziomem CREB, a zwierzęta trwale zapomniały o strachu.

Kilka miesięcy później grupa Alcino Silvy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles osiągnęła podobne wyniki, tłumiąc wspomnienia strachu u myszy poprzez biochemiczne hamowanie neuronów wytwarzających CREB4. W trakcie tego procesu odkryli również, że w danym momencie komórki z większą ilością CREB są bardziej pobudliwe elektrycznie niż ich sąsiedzi, co mogłoby tłumaczyć ich gotowość do rejestrowania napływających doświadczeń. „Równolegle nasze laboratoria odkryły coś zupełnie nowego – że istnieją specyficzne zasady, dzięki którym komórki stają się częścią engramu” – mówi Silva.

Ale tego typu badania nad tłumieniem pamięci szkicują tylko połowę engramu. Aby udowodnić ponad wszelką wątpliwość, że naukowcy rzeczywiście przyglądają się engramom, musieli również wytworzyć wspomnienia na żądanie. W 2012 roku grupa Susumu Tonegawy z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge zgłosiła stworzenie systemu, który właśnie to potrafił.

Dzięki genetycznej manipulacji komórkami mózgowymi u myszy, badacze mogli oznaczyć odpalające się neurony białkiem wrażliwym na światło. Ich celem były neurony w hipokampie, regionie niezbędnym do przetwarzania pamięci. Po włączeniu systemu znakowania, naukowcy podali zwierzętom serię wstrząsów nożnych. Neurony, które reagowały na wstrząsy, wydzielały białko reagujące na światło, dzięki czemu badacze mogli wyodrębnić komórki, które tworzą pamięć. Następnie mogli oni pobudzić te neurony do zapłonu za pomocą światła laserowego, ożywiając nieprzyjemne dla myszy wspomnienie5. W kolejnym badaniu zespół Tonegawy umieścił myszy w nowej klatce i dostarczał im wstrząsów nożnych, jednocześnie reaktywując neurony, które tworzyły engram „bezpiecznej” klatki. Kiedy myszy wróciły do bezpiecznej klatki, zamarły ze strachu, co świadczy o tym, że wspomnienie strachu zostało błędnie skojarzone z bezpiecznym miejscem6. Praca innych grup pokazała, że podobna technika może być użyta do oznaczenia, a następnie zablokowania danego wspomnienia7,8.

Ten zbiór prac wielu grup zbudował silny argument, że fizjologiczny ślad pamięci – lub przynajmniej kluczowe składniki tego śladu – można przypiąć do konkretnych neuronów, mówi Silva. Mimo to, neurony w jednej części hipokampa lub amygdali są tylko niewielką częścią engramu strachu przed uderzeniem stopą, który obejmuje widoki, zapachy, dźwięki i niezliczone inne doznania. „To jest prawdopodobnie w 10-30 różnych regionach mózgu – to tylko dzikie przypuszczenie”, mówi Silva.

Szerszy pędzel

Postępy w technologii obrazowania mózgu u ludzi dają badaczom możliwość powiększenia i przyjrzenia się aktywności całego mózgu, która składa się na engram. Najpowszechniej stosowana technika, funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI), nie jest w stanie wyodrębnić pojedynczych neuronów, ale zamiast tego pokazuje plamy aktywności w różnych obszarach mózgu. Konwencjonalnie, fMRI był używany do wybierania regionów, które najsilniej reagują na różne zadania. Jednak w ostatnich latach zaawansowane analizy ujawniły charakterystyczne wzorce, lub sygnatury, aktywności całego mózgu, które pojawiają się, gdy ludzie przypominają sobie konkretne doświadczenia. „To jedna z najważniejszych rewolucji w neuronauce poznawczej” – mówi Michael Kahana, neurobiolog z University of Pennsylvania w Filadelfii.

Rozwój techniki zwanej multi-voxel pattern analysis (MVPA) stał się katalizatorem tej rewolucji. Czasami nazywana dekodowaniem mózgu, metoda statystyczna zazwyczaj podaje dane fMRI do algorytmu komputerowego, który automatycznie uczy się wzorców neuronowych związanych z określonymi myślami lub doświadczeniami. W 2005 r. Sean Polyn – obecnie neurobiolog na Uniwersytecie Vanderbilta w Nashville w stanie Tennessee – jako student pomagał w prowadzeniu przełomowego badania, w którym po raz pierwszy zastosowano MVPA do ludzkiej pamięci9. W jego eksperymencie ochotnicy studiowali zdjęcia znanych osób, miejsc i zwykłych przedmiotów. Wykorzystując dane fMRI zebrane w tym okresie, badacze wytrenowali program komputerowy do identyfikacji wzorców aktywności związanych ze studiowaniem każdej z tych kategorii.

Później, gdy badani leżeli w skanerze i wymieniali wszystkie przedmioty, które byli w stanie sobie przypomnieć, specyficzne dla danej kategorii sygnatury neuronalne pojawiały się ponownie na kilka sekund przed każdą odpowiedzią. Przed nazwaniem celebryty, na przykład, „celebryta-podobny” wzór aktywności pojawił się, w tym aktywacji obszaru kory mózgowej, która przetwarza twarze. Był to jeden z pierwszych bezpośrednich dowodów na to, że kiedy ludzie odzyskują konkretne wspomnienie, ich mózg powraca do stanu, w którym znajdował się w momencie kodowania tej informacji. „To był bardzo ważny artykuł” – mówi Chen. „Zdecydowanie uważam moją własną pracę za jej bezpośredniego potomka.”

Chen i inni od tego czasu udoskonalili swoje techniki, aby dekodować wspomnienia z coraz większą precyzją. W przypadku badań Chen nad Sherlockiem, jej grupa odkryła, że wzorce aktywności mózgu w 50 scenach otwierających odcinek można wyraźnie odróżnić od siebie. Wzorce te były niezwykle specyficzne, czasami rozróżniały sceny, w których występował lub nie występował Sherlock, oraz te, które miały miejsce w pomieszczeniach lub na zewnątrz.

W pobliżu hipokampa i w kilku ośrodkach przetwarzania wysokiego poziomu, takich jak tylna kora przyśrodkowa, badacze zaobserwowali te same wzorce postrzegania scen, które każda osoba później opowiadała o odcinku – nawet jeśli ludzie różnie opisywali poszczególne sceny1. Zaobserwowali nawet podobną aktywność mózgu u osób, które nigdy nie widziały serialu, ale słyszały relacje innych osób na jego temat10.

„Zaskoczeniem było to, że widzimy ten sam odcisk palca, gdy różne osoby przypominają sobie tę samą scenę, opisują ją własnymi słowami, pamiętają ją w dowolny sposób, jaki chcą zapamiętać” – mówi Chen. Wyniki sugerują, że mózgi – nawet w regionach wyższego rzędu, które przetwarzają pamięć, pojęcia i złożone poznanie – mogą być zorganizowane bardziej podobnie u różnych ludzi, niż się spodziewano.

Połączenie wspomnień

Jako że nowe techniki zapewniają wgląd w engram, naukowcy mogą zacząć badać nie tylko to, jak tworzą się poszczególne wspomnienia, ale jak wspomnienia oddziałują na siebie i zmieniają się w czasie.

Na New York University, neurobiolog Lila Davachi używa MVPA do badania, jak mózg sortuje wspomnienia, których treść się pokrywa. W badaniu z 2017 roku z Alexą Tompary, wówczas studentką w jej laboratorium, Davachi pokazała ochotnikom zdjęcia 128 obiektów, każdy sparowany z jedną z czterech scen – scena plażowa pojawiła się na przykład z kubkiem, a następnie klawiaturą; pejzaż miejski został sparowany z parasolem, i tak dalej. Każdy obiekt pojawiał się tylko z jedną sceną, ale wiele różnych obiektów pojawiało się z tą samą sceną11. Na początku, gdy ochotnicy dopasowywali obiekty do odpowiadających im scen, każdy obiekt wywoływał inny wzorzec aktywacji mózgu. Jednak tydzień później, wzorce neuronalne podczas tego zadania przypominania stały się bardziej podobne dla obiektów sparowanych z tą samą sceną. Mózg zreorganizował wspomnienia zgodnie z informacjami o wspólnej scenie. „To grupowanie może reprezentować początki uczenia się sedna informacji” – mówi Davachi.

Klastrowanie powiązanych wspomnień może również pomóc ludziom w wykorzystaniu wcześniejszej wiedzy do nauki nowych rzeczy, zgodnie z badaniami neurobiolog Alison Preston z University of Texas w Austin. W badaniu z 2012 roku grupa Preston odkryła, że kiedy niektórzy ludzie oglądają jedną parę obrazów (np. piłkę do koszykówki i konia), a później widzą inną parę (np. konia i jezioro), które mają wspólny element, ich mózgi reaktywują wzorzec związany z pierwszą parą12. Ta reaktywacja wydaje się wiązać ze sobą te powiązane pary obrazów; osoby, które wykazywały ten efekt podczas uczenia się, lepiej rozpoznawały późniejszy związek – domniemany, ale nigdy nie widziany – pomiędzy dwoma obrazami, które nie pojawiły się razem (w tym przypadku, koszykówka i jezioro). „Mózg tworzy połączenia, reprezentując informacje i wiedzę, która jest poza naszą bezpośrednią obserwacją” – wyjaśnia Preston. Proces ten może pomóc w wielu codziennych czynnościach, takich jak poruszanie się w nieznanym otoczeniu poprzez wnioskowanie o relacjach przestrzennych pomiędzy kilkoma znanymi punktami orientacyjnymi. Zdolność łączenia powiązanych bitów informacji w celu tworzenia nowych pomysłów może być również ważna dla kreatywności lub wyobrażania sobie przyszłych scenariuszy.

W dalszych badaniach Preston zaczął badać mechanizm stojący za łączeniem pamięci i odkrył, że powiązane wspomnienia mogą łączyć się w jedną reprezentację, zwłaszcza jeśli wspomnienia są nabywane w bliskim odstępie czasu13. W niezwykłej zbieżności, praca Silvy również wykazała, że myszy mają tendencję do łączenia dwóch wspomnień powstałych blisko siebie w czasie. W 2016 r. jego grupa zaobserwowała, że kiedy myszy nauczyły się bać wstrząsów nożnych w jednej klatce, zaczęły również wyrażać strach wobec nieszkodliwej klatki, którą odwiedziły kilka godzin wcześniej14. Badacze wykazali, że neurony kodujące jedno wspomnienie pozostawały bardziej pobudliwe przez co najmniej pięć godzin po nauce, tworząc okno, w którym mógł powstać częściowo pokrywający się engram. Rzeczywiście, po oznaczeniu aktywnych neuronów zespół Silvy odkrył, że wiele komórek uczestniczyło w obu wspomnieniach klatkowych.

Te ustalenia sugerują niektóre z mechanizmów neurobiologicznych, które łączą indywidualne wspomnienia w bardziej ogólne idee o świecie. „Nasza pamięć to nie tylko kieszenie i wyspy informacji”, mówi Josselyn. „W rzeczywistości budujemy koncepcje i łączymy ze sobą rzeczy, które mają między sobą wspólne wątki”. Kosztem tej elastyczności może być jednak powstawanie fałszywych lub błędnych wspomnień: Myszy Silvy przestraszyły się nieszkodliwej klatki, ponieważ ich wspomnienie o niej powstało tak blisko w czasie z przerażającym wspomnieniem innej klatki. Ekstrapolowanie pojedynczych doświadczeń na abstrakcyjne pojęcia i nowe idee wiąże się z ryzykiem utraty pewnych szczegółów poszczególnych wspomnień. W miarę jak ludzie odzyskują poszczególne wspomnienia, mogą się one łączyć lub mieszać. „Pamięć nie jest zjawiskiem stabilnym” – mówi Preston.

Badacze chcą teraz zbadać, jak konkretne wspomnienia ewoluują z czasem i jak mogą być przebudowane, zniekształcone lub nawet odtworzone, gdy są odzyskiwane. Dzięki możliwości identyfikacji i manipulowania poszczególnymi neuronami engramowymi u zwierząt, naukowcy mają nadzieję wzmocnić swoje teorie na temat tego, jak komórki przechowują i podają informacje – teorie, które były trudne do przetestowania. „Teorie te są stare i naprawdę intuicyjne, ale tak naprawdę nie znaliśmy mechanizmów, które za nimi stoją” – mówi Preston. W szczególności, poprzez wskazanie pojedynczych neuronów, które są niezbędne dla danych wspomnień, naukowcy mogą badać bardziej szczegółowo procesy komórkowe, dzięki którym kluczowe neurony nabywają, odzyskują i tracą informacje. „Jesteśmy teraz w złotym wieku”, mówi Josselyn. „Mamy całą tę technologię, aby zadać kilka bardzo starych pytań”.