Hvordan teknologi kan la oss se og manipulere minner

Optogenetikk og avansert bildebehandling har hjulpet nevrovitenskapsmenn til å forstå hvordan minner dannes og gjort det mulig å manipulere dem.

av

• Joshua Sarinana arkivside

25. august 2021

Det er 86 milliarder nevroner i den menneskelige hjernen, hver med tusenvis av forbindelser, noe som gir opphav til hundrevis av billioner av synapser. Synapser – forbindelsespunktene mellom nevroner – lagrer minner. Det overveldende antallet nevroner og synapser i hjernen vår gjør det til en formidabel vitenskapelig utfordring å finne den nøyaktige plasseringen til et spesifikt minne.

Å finne ut hvordan minner dannes kan til slutt hjelpe oss å lære mer om oss selv og holde vår mentale skarphet intakt. Hukommelse er med på å forme identiteten vår, og hukommelsessvikt kan indikere en hjernesykdom. Alzheimers sykdom frarøver individer minnene deres ved å ødelegge synapser; avhengighet kaprer hjernens lærings- og minnesentre; og noen psykiske helsetilstander, som depresjon, er assosiert med hukommelsessvikt.

Denne historien var en del av september 2021-utgaven vår

• Se resten av saken
• Abonnere

På mange måter har nevrovitenskap avslørt minners natur, men det har også oppgradert selve forestillingen om hva minner er. De fem spørsmålene nedenfor snakker om hvor mye vi har lært og hvilke mysterier som gjenstår.

Kan vi se minner i hjernen?

Nevrovitenskapsmenn har observert de grunnleggende omrisset av minner i hjernen i flere tiår. Men først nylig kunne de se den varige fysiske representasjonen av et minne, som kalles et minneengram. Et engram er lagret i et nettverk av tilkoblede nevroner, og nevroner som holder engrammet kan fås til å gløde slik at de er synlige gjennom spesielle mikroskoper.

I dag kan nevroforskere manipulere minneengrammer ved å kunstig aktivere deres underliggende nettverk og sette inn ny informasjon. Disse teknikkene kaster også lys over hvordan ulike typer minne fungerer og hvor hver er registrert i hjernen.

Episodisk selvbiografisk hukommelse handler om hva som skjedde, hvor og når. Den er avhengig av hippocampus, en sjøhestformet struktur. Prosedyreminner, støttet av basalgangliene, la oss huske hvordan man utfører vanemessig atferd som å sykle. Denne regionen fungerer feil hos de med avhengighet. Vår evne til å huske fakta, som statshovedsteder, er takket være semantisk minne, som er lagret i cortex.

Hvilke verktøy lar oss se minner?

På slutten av 1800-tallet gjorde bordmikroskoper det mulig å identifisere individuelle nevroner, noe som gjorde det mulig for forskere å tegne forbløffende detaljerte representasjoner av hjernen. Ved midten av 1900-tallet kunne kraftige elektronmikroskoper vise synaptiske strukturer bare titalls nanometer brede (omtrent bredden til en viruspartikkel). Ved begynnelsen av det 21. århundre, nevrovitenskapsmenn brukte to-fotonmikroskoper for å se synapser dannes i sanntid mens mus lærte.

Utrolige fremskritt innen genetikk har også gjort det mulig å bytte gener inn og ut av hjernen for å koble dem til hukommelsesfunksjon. Forskere har brukt virus til å sette inn et grønt fluorescerende protein som finnes i maneter i musehjerner, noe som får nevronene til å lyse opp under læring. De har også brukt et algeprotein kalt channelrhodopsin (ChR2) for å kunstig aktivere nevroner. Proteinet er følsomt for blått lys, så når det settes inn i nevroner, kan nevronene slås av og på med en blå laser - en teknikk kjent som optogenetics. Med denne teknologien, som ble utviklet av forskere ved Stanford for nesten to tiår siden, kan nevrovitenskapsmenn kunstig aktivere minne-engram-celler i forsøksdyr.

Nye teknikker gjør det også mulig å studere hvordan nerveimpulser oversetter ekstern informasjon til våre indre verdener. For å se denne prosessen i hjernen bruker nevroforskere små elektroder for å registrere impulsene, som varer i bare noen få millisekunder. Analytiske verktøy som nevrale dekodingsalgoritmer kan deretter luke ut støy for å avsløre mønstre som indikerer et minnesenter i hjernen. Programvaresett med åpen kildekode lar flere nevrovitenskapelige laboratorier utføre slik forskning.

Hva forteller disse verktøyene oss om hvordan minner skapes og lagres?

Hvordan nevroner blir en del av et minneengram forble et mysterium inntil nylig. Da nevrovitenskapsmenn så nærmere, ble de overrasket over å se at nevroner konkurrerer med hverandre om å lagre minner. Ved å sette inn gener i hjernen for å øke eller redusere nevroneksitabilitet, lærte forskerne at de mest begeistrede nevronene i området vil bli en del av engrammet. Disse nevronene vil også aktivt hemme sine naboer fra å bli en del av et annet engram i en kort periode. Denne konkurransen hjelper sannsynligvis minner til å dannes og viser at hvor minner er tildelt i hjernen ikke er tilfeldig.

Relatert historie

Hvorfor føler du deg ensom? Nevrovitenskap begynner å finne svar. En nevroforskers jakt på ensomhet kan hjelpe oss å bedre forstå kostnadene ved sosial isolasjon.

I andre eksperimenter fant forskere at nevrale nettverk holder på glemte minner. Mus som injiseres med en cocktail av proteinhemmere utvikler hukommelsestap, og glemmer sannsynligvis informasjon fordi synapsene deres visner bort. Men forskerne oppdaget at disse minnene ikke var for alltid tapt - nevronene holdt fortsatt informasjonen, men uten synapser kunne den ikke hentes (i hvert fall ikke uten optogenetisk stimulering). Mus med Alzheimers sykdom viste lignende hukommelsestap.

Et annet funn har å gjøre med hvordan drømmer styrker minnene våre. Nevrovitenskapsmenn hadde lenge trodd at ettersom dagens opplevelser ble gjentatt i form av nerveimpulser under søvn, ble disse minnene sakte overført ut av hippocampus og til cortex slik at hjernen kunne trekke ut informasjon for å lage regler om verden. De visste også at noen regler ble syntetisert av cortex raskere, men eksisterende modeller kunne ikke forklare hvordan dette skjedde. Nylig har forskere imidlertid brukt optogenetiske verktøy i dyrestudier for å vise at hippocampus også jobber for å etablere disse raskt formende kortikale minnene.

Hippocampus bidrar til raskt å lage umodne minneengrammer i cortex, sier Takashi Kitamura , en assisterende professor ved University of Texas Southwestern Medical Center. Hippocampus lærer fortsatt cortex, men uten optogenetiske verktøy hadde vi kanskje ikke observert de umodne engrammene.

Kan minner manipuleres?

Minner er ikke så stabile som de kanskje føler . Av natur må de være mottagelige for endring, ellers ville læring være umulig.

For nesten et tiår siden endret MIT-forskere musene genetisk slik at når nevronene deres var aktive under læring, satte denne aktiviteten på ChR2-genet, som var bundet til et grønt fluorescerende protein. Ved å se hvilke nevroner som fluoreserte, kunne nevroforskere identifisere hvilke som var involvert i læring. Og de kunne reaktivere spesifikke minner ved å skinne lys på ChR2-genene assosiert med disse nevronene.

Med denne evnen satte MIT-forskerne inn et falskt minne i musehjerner. Først plasserte de musene i en trekantet boks, som aktiverte spesifikke ChR2-gener og nevroner. Deretter la de musene i en firkantet boks og ga sjokk til føttene deres mens de kastet et lys på ChR2-nevronene knyttet til det første miljøet.

Etter hvert assosierte musene minnet om trekantboksen med støtene, selv om de bare ble sjokkert mens de var i den firkantede boksen. Dyrene var redde for et miljø som teknisk sett aldri har skjedd noe 'ille' i det, sier Steve Ramirez , en medforfatter av studien som nå er assisterende professor i nevrovitenskap ved Boston University.

Det er ikke mulig å bruke slike teknikker som involverer fiberoptiske kabler og lasere for å eksperimentere på den menneskelige hjernen, men resultatene på hjernen til mus antyder hvor lett minner kan manipuleres.

Kan vi se minner utenfor hjernen?

Menneskelige minner kan rekonstrueres visuelt ved hjelp av hjerneskannere . I forskning utført av Brice Kuhl , som nå er assisterende professor i kognitiv nevrovitenskap ved University of Oregon, fikk folk bilder å se, og hjernen deres ble skannet med en MR-maskin for å måle hvilke regioner som var aktive. En algoritme ble deretter opplært til å gjette hva personen så på og rekonstruere et bilde basert på denne aktiviteten. Algoritmen rekonstruerte også bilder fra deltakere som ble bedt om å holde et av bildene de så i hodet.

Det er mye rom for forbedring i disse rekonstruerte bildene, men dette arbeidet viste at nevroimaging og rekonstruksjonsalgoritmer faktisk kan vise innholdet i menneskelige minner for andre å se.

Teknologi har latt nevrovitenskapsmenn kikke inn i hjernen og se de bittesmå glødende sporene av minne. Likevel har oppdagelsen av at erfaringer og kunnskap kan implanteres eller eksternaliseres også gitt hukommelsen en annen betydning. Hva betyr dette for vår følelse av hvem vi er?

Joshua Sarinana er en nevrovitenskapsmann, forfatter og kunstfotograf.