Pentru cineva care nu este un super-fan Sherlock, cercetătorul în neuroștiințe cognitive Janice Chen cunoaște mai bine decât majoritatea drama polițistă de succes a BBC. Cu ajutorul unui scaner cerebral, ea spionează ce se întâmplă în capul telespectatorilor atunci când aceștia urmăresc primul episod al serialului și apoi descrie intriga.
Chen, cercetător la Universitatea Johns Hopkins din Baltimore, Maryland, a auzit tot felul de variațiuni ale unei scene de început, când o femeie flirtează cu faimosul detectiv distant într-o morgă. Unii oameni îl consideră pe Sherlock Holmes nepoliticos, în timp ce alții cred că acesta este indiferent la avansurile nervoase ale femeii. Dar Chen și colegii săi au descoperit ceva ciudat atunci când au scanat creierele spectatorilor: în timp ce diferite persoane își povesteau propriile versiuni ale aceleiași scene, creierele lor produceau modele de activitate remarcabil de asemănătoare1.
Chen se numără printre un număr tot mai mare de cercetători care folosesc imagistica cerebrală pentru a identifica modelele de activitate implicate în crearea și reamintirea unei anumite amintiri. Inovațiile tehnologice puternice în neuroștiința umană și animală din ultimul deceniu permit cercetătorilor să descopere reguli fundamentale despre modul în care se formează, se organizează și interacționează între ele amintirile individuale. Utilizând tehnici de marcare a neuronilor activi, de exemplu, echipele au localizat circuitele asociate cu memoria unui stimul dureros la rozătoare și au reușit să reactiveze aceste căi pentru a declanșa memoria. Iar la oameni, studiile au identificat semnăturile anumitor amintiri, care dezvăluie unele dintre modalitățile prin care creierul organizează și leagă amintirile pentru a ajuta la reamintire. Astfel de descoperiri ar putea, într-o zi, să ajute la dezvăluirea motivelor pentru care amintirile cedează la bătrânețe sau în caz de boală, sau a modului în care amintirile false se strecoară în mărturiile martorilor oculari. De asemenea, aceste informații ar putea duce la elaborarea unor strategii pentru îmbunătățirea învățării și a memoriei.
Ascultați-o pe Sheena Josselyn descriind munca pentru a imagina memoria în minte.
Your browser does not support the audio element.
Lucrarea reprezintă o abatere dramatică de la cercetările anterioare privind memoria, care au identificat locații și mecanisme mai generale. „Rezultatele de la rozătoare și de la oameni se unesc acum cu adevărat”, spune cercetătoarea în neuroștiințe Sheena Josselyn de la Spitalul pentru copii bolnavi din Toronto, Canada. „Nu-mi pot imagina că vreau să mă uit la altceva.”
În căutarea engramei
Urma fizică a unei singure amintiri – numită și engramă – a evitat mult timp să fie capturată. Psihologul american Karl Lashley a fost unul dintre primii care a urmărit-o și și-a dedicat o mare parte din carieră acestei căutări. Începând din jurul anului 1916, el a antrenat șobolani să parcurgă un labirint simplu, iar apoi a distrus o bucată de cortex, suprafața exterioară a creierului. Apoi i-a pus din nou în labirint. Adesea, țesutul cerebral deteriorat nu făcea mare diferență. An după an, locația fizică a amintirilor șobolanilor a rămas evazivă. Rezumând misiunea sa ambițioasă în 1950, Lashley a scris2: „Uneori am impresia, trecând în revistă dovezile privind localizarea urmei memoriei, că concluzia necesară este că învățarea pur și simplu nu este posibilă.”
Memoria, se pare, este un proces foarte distribuit, nefiind relegat la o singură regiune a creierului. Și diferite tipuri de memorie implică diferite seturi de zone. Multe structuri care sunt importante pentru codificarea și recuperarea memoriei, cum ar fi hipocampul, se află în afara cortexului – iar Lashley le-a ratat în mare parte. Cei mai mulți neuroștiințifici cred acum că o anumită experiență determină un subset de celule din aceste regiuni să se aprindă, să își schimbe expresia genetică, să formeze noi conexiuni și să modifice puterea celor existente – schimbări care, împreună, stochează o memorie. Reculegerea, conform teoriilor actuale, are loc atunci când acești neuroni pornesc din nou și redau modelele de activitate asociate cu experiența trecută.
Științii au elaborat câteva principii de bază ale acestui cadru larg. Dar testarea teoriilor de nivel superior cu privire la modul în care grupurile de neuroni stochează și recuperează bucăți specifice de informații este încă o provocare. Abia în ultimul deceniu, noile tehnici de marcare, activare și reducere la tăcere a unor neuroni specifici la animale au permis cercetătorilor să identifice cu exactitate ce neuroni alcătuiesc o singură memorie (a se vedea „Manipularea memoriei”).
Credit: Jasiek Krzysztofiak/Nature
Josselyn a ajutat la conducerea acestui val de cercetare cu unele dintre primele studii de captare a neuronilor engramelor la șoareci3. În 2009, ea și echipa sa au crescut nivelul unei proteine cheie pentru memorie, numită CREB, în unele celule din amigdala (o zonă implicată în procesarea fricii) și au arătat că acei neuroni aveau o probabilitate deosebită de a se declanșa atunci când șoarecii învățau, și mai târziu își aminteau, o asociere înfricoșătoare între un ton auditiv și șocuri la picioare. Cercetătorii au ajuns la concluzia că, dacă aceste celule stimulate de CREB reprezintă o parte esențială a engramei fricii, atunci eliminarea lor ar șterge memoria asociată cu tonul și ar elimina frica animalelor față de acesta. Astfel, echipa a folosit o toxină pentru a ucide neuronii cu niveluri crescute de CREB, iar animalele au uitat definitiv de frică.
Câteva luni mai târziu, grupul lui Alcino Silva de la Universitatea din California, Los Angeles, a obținut rezultate similare, suprimând amintirile de frică la șoareci prin inhibarea biochimică a neuronilor cu supraproducție de CREB4. În acest proces, ei au descoperit, de asemenea, că, la un moment dat, celulele cu mai mult CREB sunt mai excitabile din punct de vedere electric decât vecinii lor, ceea ce ar putea explica disponibilitatea lor de a înregistra experiențele primite. „În paralel, laboratoarele noastre au descoperit ceva cu totul nou – faptul că există reguli specifice prin care celulele devin parte a engramelor”, spune Silva.
Dar aceste tipuri de studii de supresie a memoriei schițează doar jumătate din engramă. Pentru a dovedi dincolo de orice îndoială că oamenii de știință se uită, de fapt, la engrame, ei trebuiau să producă și amintiri la cerere. În 2012, grupul lui Susumu Tonegawa de la Massachusetts Institute of Technology din Cambridge a raportat crearea unui sistem care putea face exact acest lucru.
Prin manipularea genetică a celulelor cerebrale la șoareci, cercetătorii au putut marca neuronii care trag cu o proteină sensibilă la lumină. Ei au vizat neuronii din hipocampus, o regiune esențială pentru procesarea memoriei. Cu sistemul de marcare activat, oamenii de știință au administrat animalelor o serie de șocuri cu piciorul. Neuronii care au răspuns la șocuri au emis proteina sensibilă la lumină, permițându-le cercetătorilor să identifice celulele care constituie memoria. Aceștia au putut apoi declanșa declanșarea acestor neuroni cu ajutorul luminii laser, reînviind amintirea neplăcută pentru șoareci5. Într-un studiu de urmărire, echipa lui Tonegawa a plasat șoarecii într-o cușcă nouă și a administrat șocuri cu piciorul, reactivând în același timp neuronii care formau engramă a unei cuști „sigure”. Când șoarecii au fost readuși în cușca sigură, aceștia au înghețat de frică, demonstrând că memoria de frică a fost asociată în mod incorect cu un loc sigur6. Lucrările altor grupuri au arătat că o tehnică similară poate fi folosită pentru a marca și apoi a bloca o anumită amintire7,8.
Această colecție de lucrări de la mai multe grupuri a construit un caz puternic că urma fiziologică a unei amintiri – sau cel puțin componentele cheie ale acestei urme – poate fi localizată la neuroni specifici, spune Silva. Cu toate acestea, neuronii dintr-o parte a hipocampusului sau a amigdalei reprezintă doar o parte infimă a unei engrame de frică de șocul piciorului, care implică imagini, mirosuri, sunete și nenumărate alte senzații. „Probabil că se află în 10-30 de regiuni diferite ale creierului – aceasta este doar o presupunere sălbatică”, spune Silva.
O perie mai largă
Avoluțiile în tehnologia de imagistică cerebrală la om le oferă cercetătorilor posibilitatea de a mări și de a examina activitatea la nivelul întregului creier care alcătuiește o engramă. Tehnica cea mai utilizată pe scară largă, imagistica prin rezonanță magnetică funcțională (fMRI), nu poate rezolva neuroni individuali, dar în schimb arată pete de activitate în diferite zone ale creierului. În mod convențional, fMRI a fost utilizată pentru a selecta regiunile care răspund cel mai puternic la diferite sarcini. Însă, în ultimii ani, analize puternice au dezvăluit modelele distinctive, sau semnăturile, de activitate la nivelul creierului care apar atunci când oamenii își amintesc anumite experiențe. „Este una dintre cele mai importante revoluții în neuroștiința cognitivă”, spune Michael Kahana, cercetător în neuroștiințe la Universitatea Pennsylvania din Philadelphia.
Dezvoltarea unei tehnici numite analiza modelului multi-voxel (MVPA) a catalizat această revoluție. Denumită uneori decodificarea creierului, metoda statistică alimentează de obicei datele fMRI într-un algoritm informatic care învață automat modelele neuronale asociate cu gânduri sau experiențe specifice. În calitate de student absolvent în 2005, Sean Polyn – în prezent cercetător în neuroștiințe la Universitatea Vanderbilt din Nashville, Tennessee – a contribuit la conducerea unui studiu fundamental care a aplicat pentru prima dată MVPA la memoria umană9. În cadrul experimentului său, voluntarii au studiat imagini cu persoane celebre, locații și obiecte obișnuite. Folosind datele fMRI colectate în această perioadă, cercetătorii au antrenat un program de calculator pentru a identifica modelele de activitate asociate cu studierea fiecăreia dintre aceste categorii.
Mai târziu, în timp ce subiecții stăteau în scaner și enumerau toate elementele pe care și le puteau aminti, semnăturile neuronale specifice fiecărei categorii au reapărut cu câteva secunde înainte de fiecare răspuns. Înainte de a numi o celebritate, de exemplu, a apărut modelul de activitate „asemănător cu cel al celebrităților”, inclusiv activarea unei zone a cortexului care procesează fețele. Aceasta a fost una dintre primele dovezi directe că, atunci când oamenii își recuperează o anumită amintire, creierul lor revizuiește starea în care se afla atunci când a codificat informația respectivă. „A fost o lucrare foarte importantă”, spune Chen. „Cu siguranță consider că propria mea lucrare este un descendent direct.”
Chen și alții și-au rafinat de atunci tehnicile pentru a decoda amintirile cu o precizie din ce în ce mai mare. În cazul studiilor lui Chen asupra lui Sherlock, grupul ei a descoperit că modelele de activitate cerebrală din 50 de scene din episodul de deschidere puteau fi distinse clar unele de altele. Aceste tipare au fost remarcabil de specifice, uneori distingând scenele care îl includeau sau nu pe Sherlock și pe cele care au avut loc în interior sau în aer liber.
În apropierea hipocampusului și în mai mulți centre de procesare de nivel înalt, cum ar fi cortexul medial posterior, cercetătorii au văzut aceleași tipare de vizualizare a scenelor desfășurându-se pe măsură ce fiecare persoană a povestit ulterior episodul – chiar dacă oamenii au descris scene specifice în mod diferit1. Aceștia au observat chiar și o activitate cerebrală similară la persoanele care nu văzuseră niciodată serialul, dar care auziseră relatările altora despre acesta10.
„A fost o surpriză faptul că vedem aceeași amprentă atunci când persoane diferite își amintesc aceeași scenă, descriind-o cu propriile cuvinte, amintindu-și-o în orice mod doresc să își amintească”, spune Chen. Rezultatele sugerează că creierul – chiar și în regiunile de ordin superior care procesează memoria, conceptele și cogniția complexă – ar putea fi organizat mai asemănător între oameni decât se aștepta.
Întregirea amintirilor
Pe măsură ce noile tehnici oferă o privire asupra engramei, cercetătorii pot începe să studieze nu doar modul în care se formează amintirile individuale, ci și modul în care amintirile interacționează între ele și se schimbă în timp.
La Universitatea din New York, cercetătorul în neuroștiințe Lila Davachi folosește MVPA pentru a studia modul în care creierul sortează amintirile care au un conținut comun care se suprapune. Într-un studiu realizat în 2017 împreună cu Alexa Tompary, pe atunci studentă absolventă în laboratorul său, Davachi a arătat voluntarilor imagini cu 128 de obiecte, fiecare fiind asociat cu una dintre cele patru scene – o scenă de plajă a apărut cu o cană, de exemplu, și apoi cu o tastatură; un peisaj urban a fost asociat cu o umbrelă, și așa mai departe. Fiecare obiect a apărut cu o singură scenă, dar multe obiecte diferite au apărut cu aceeași scenă11. La început, atunci când voluntarii potriveau obiectele cu scenele lor corespunzătoare, fiecare obiect a provocat un model diferit de activare a creierului. Dar, o săptămână mai târziu, modelele neuronale în timpul acestei sarcini de reamintire deveniseră mai asemănătoare pentru obiectele împerecheate cu aceeași scenă. Creierul își reorganizase amintirile în funcție de informațiile pe care le aveau în comun cu scena. „Această grupare ar putea reprezenta începuturile învățării „esenței” informației”, spune Davachi.
Cluzionarea amintirilor înrudite ar putea, de asemenea, să-i ajute pe oameni să folosească cunoștințele anterioare pentru a învăța lucruri noi, potrivit unei cercetări efectuate de cercetătorul în neuroștiințe Alison Preston de la Universitatea Texas din Austin. Într-un studiu din 2012, grupul lui Preston a descoperit că, atunci când unii oameni vizualizează o pereche de imagini (cum ar fi o minge de baschet și un cal), iar mai târziu văd o altă pereche (cum ar fi un cal și un lac) care are un element comun, creierul lor reactivează modelul asociat cu prima pereche12. Această reactivare pare să lege acele perechi de imagini înrudite; persoanele care au prezentat acest efect în timpul învățării au fost mai bune la recunoașterea ulterioară a unei conexiuni – implicite, dar niciodată văzute – între cele două imagini care nu au apărut împreună (în acest caz, mingea de baschet și lacul). „Creierul face conexiuni, reprezentând informații și cunoștințe care se află dincolo de observația noastră directă”, explică Preston. Acest proces ar putea ajuta la o serie de activități de zi cu zi, cum ar fi navigarea într-un mediu necunoscut prin deducția relațiilor spațiale între câteva repere cunoscute. A fi capabil să conectezi fragmente de informații conexe pentru a forma idei noi ar putea fi, de asemenea, important pentru creativitate sau pentru imaginarea unor scenarii viitoare.
Într-un studiu de urmărire, Preston a început să cerceteze mecanismul din spatele legăturilor din memorie și a descoperit că amintirile conexe pot fuziona într-o singură reprezentare, mai ales dacă amintirile sunt dobândite în succesiune apropiată13. Într-o convergență remarcabilă, lucrările lui Silva au constatat, de asemenea, că șoarecii au tendința de a lega două amintiri formate strâns în timp. În 2016, grupul său a observat că, atunci când șoarecii au învățat să se teamă de șocurile cu piciorul într-o cușcă, aceștia au început să manifeste teamă și față de o cușcă inofensivă pe care o vizitaseră cu câteva ore mai devreme14. Cercetătorii au arătat că neuronii care codificau o amintire au rămas mai excitabili timp de cel puțin cinci ore după învățare, creând o fereastră în care s-ar putea forma o engramă parțial suprapusă. Într-adevăr, atunci când au etichetat neuronii activi, echipa lui Silva a constatat că multe celule au participat la ambele amintiri din cușcă.
Aceste descoperiri sugerează unele dintre mecanismele neurobiologice care leagă amintirile individuale în idei mai generale despre lume. „Memoria noastră nu este formată doar din buzunare și insule de informații”, spune Josselyn. „De fapt, noi construim concepte și legăm între ele lucruri care au fire comune între ele”. Cu toate acestea, costul acestei flexibilități ar putea fi formarea de amintiri false sau eronate: Șoarecii lui Silva s-au speriat de o cușcă inofensivă pentru că amintirea lor despre aceasta s-a format atât de aproape în timp de o amintire înfricoșătoare despre o altă cușcă. Extrapolarea experiențelor unice în concepte abstracte și idei noi riscă să piardă unele detalii ale amintirilor individuale. Și, pe măsură ce oamenii își recuperează amintirile individuale, acestea pot deveni legate sau confuze. „Memoria nu este un fenomen stabil”, spune Preston.
Cercetătorii doresc acum să exploreze modul în care amintirile specifice evoluează în timp și cum ar putea fi remodelate, distorsionate sau chiar recreate atunci când sunt recuperate. Iar cu abilitatea de a identifica și de a manipula neuroni individuali de engrame la animale, oamenii de știință speră să își consolideze teoriile despre modul în care celulele stochează și servesc informațiile – teorii care au fost dificil de testat. „Aceste teorii sunt vechi și foarte intuitive, dar noi chiar nu cunoșteam mecanismele din spatele lor”, spune Preston. În special, prin identificarea neuronilor individuali care sunt esențiali pentru anumite amintiri, oamenii de știință pot studia mai în detaliu procesele celulare prin care neuronii cheie dobândesc, recuperează și pierd informații. „Ne aflăm într-un fel de epocă de aur în acest moment”, spune Josselyn. „Avem toată această tehnologie pentru a pune niște întrebări foarte vechi”.