Hur teknik kan låta oss se och manipulera minnen

Optogenetik och avancerad bildbehandling har hjälpt neuroforskare att förstå hur minnen bildas och gjort det möjligt att manipulera dem.

förbi

• Joshua Sarinana arkivsida

25 augusti 2021

Det finns 86 miljarder neuroner i den mänskliga hjärnan, var och en med tusentals kopplingar, vilket ger upphov till hundratals biljoner synapser. Synapser – kopplingspunkterna mellan neuroner – lagrar minnen. Det överväldigande antalet neuroner och synapser i våra hjärnor gör att hitta den exakta platsen för ett specifikt minne till en formidabel vetenskaplig utmaning.

Att ta reda på hur minnen bildas kan i slutändan hjälpa oss att lära oss mer om oss själva och hålla vår mentala skärpa intakt. Minnet hjälper till att forma våra identiteter, och minnesstörningar kan tyda på en hjärnsjukdom. Alzheimers sjukdom berövar individer deras minnen genom att förstöra synapser; missbruk kapar hjärnans inlärnings- och minnescentra; och vissa psykiska tillstånd, som depression, är förknippade med minnesförsämring.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2021

• Se resten av frågan
• Prenumerera

På många sätt har neurovetenskapen avslöjat minnens natur, men den har också upphöjt själva uppfattningen om vad minnen är. De fem frågorna nedan talar om hur mycket vi har lärt oss och vilka mysterier som finns kvar.

Kan vi se minnen i hjärnan?

Neuroforskare har observerat de grundläggande konturerna av minnen i hjärnan i årtionden. Men först nyligen kunde de se den bestående fysiska representationen av ett minne, som kallas ett minnesengram. Ett engram lagras i ett nätverk av anslutna neuroner och neuroner som håller engrammet kan fås att lysa så att de är synliga genom speciella mikroskop.

Idag kan neuroforskare manipulera minnesengram genom att artificiellt aktivera sina underliggande nätverk och infoga ny information. Dessa tekniker belyser också hur olika typer av minne fungerar och var de registreras i hjärnan.

Episodiskt självbiografiskt minne handlar om vad som hände, var och när. Den förlitar sig på hippocampus, en sjöhästformad struktur. Procedurminnen, med stöd av de basala ganglierna, låt oss komma ihåg hur man utför vanliga beteenden som att cykla. Denna region fungerar dåligt hos dem med beroende. Vår förmåga att återkalla fakta, som statliga huvudstäder, är tack vare semantiskt minne, som lagras i cortex.

Vilka verktyg låter oss se minnen?

I slutet av 1800-talet gjorde bordsmikroskop det möjligt att identifiera enskilda neuroner, vilket gjorde det möjligt för forskare att rita fantastiskt detaljerade representationer av hjärnan. I mitten av 1900-talet kunde kraftfulla elektronmikroskop visa synaptiska strukturer bara tiotals nanometer breda (ungefär bredden av en viruspartikel). Vid 2000-talets början, neuroforskare använde tvåfotonmikroskop för att se synapser bildas i realtid medan mössen lärde sig.

Otroliga framsteg inom genetik har också gjort det möjligt att byta gener in i och ut ur hjärnan för att koppla dem till minnesfunktion. Forskare har använt virus för att infoga ett grönt fluorescerande protein som finns i maneter i mushjärnor, vilket gör att nervceller lyser upp under inlärning. De har också använt ett algprotein som heter channelrhodopsin (ChR2) för att artificiellt aktivera neuroner. Proteinet är känsligt för blått ljus, så när det sätts in i neuroner kan neuronerna slås på och av med en blå laser - en teknik som kallas optogenetik. Med denna teknik, som var banbrytande av forskare vid Stanford för nästan två decennier sedan, kan neuroforskare på konstgjord väg aktivera minnes-engram-celler i försöksdjur.

Nya tekniker gör det också möjligt att studera hur nervimpulser översätter extern information till våra inre världar. För att se denna process i hjärnan använder neuroforskare små elektroder för att registrera impulserna, som varar i bara några millisekunder. Analytiska verktyg som neurala avkodningsalgoritmer kan sedan sålla bort brus för att avslöja mönster som indikerar ett minnescenter i hjärnan. Programpaket med öppen källkod tillåter fler neurovetenskapliga laboratorier att utföra sådan forskning.

Vad säger dessa verktyg om hur minnen skapas och lagras?

Hur neuroner blir en del av ett minnesengram förblev ett mysterium tills nyligen. När neuroforskare tittade närmare blev de förvånade över att se att neuroner konkurrerar med varandra för att lagra minnen. Genom att infoga gener i hjärnan för att öka eller minska nervcellers excitabilitet, lärde forskarna att de mest upphetsade neuronerna i området kommer att bli en del av engrammet. Dessa neuroner kommer också aktivt att hämma sina grannar från att bli en del av ett annat engram under en kort tidsperiod. Denna tävling hjälper sannolikt minnen att bildas och visar att var minnen tilldelas i hjärnan inte är slumpmässigt.

Relaterad berättelse

Varför känner du dig ensam? Neurovetenskapen börjar hitta svar. En neurovetares jakt på ensamhet kan hjälpa oss att bättre förstå kostnaderna för social isolering.

I andra experiment fann forskare att neurala nätverk håller kvar glömda minnen. Möss som injiceras med en cocktail av proteinhämmare utvecklar minnesförlust och glömmer sannolikt information eftersom deras synapser vissnar bort. Men forskarna upptäckte att dessa minnen inte var förlorade för alltid - neuronerna höll fortfarande informationen, men utan synapser kunde den inte hämtas (åtminstone inte utan optogenetisk stimulering). Möss med Alzheimers sjukdom visade liknande minnesförlust.

En annan upptäckt har att göra med hur drömmar stärker våra minnen. Neurovetenskapsmän hade länge trott att när dagens upplevelser spelades om i form av nervimpulser under sömnen, överfördes dessa minnen långsamt ut från hippocampus och till cortex så att hjärnan kunde extrahera information för att skapa regler om världen. De visste också att vissa regler syntetiserades av cortex snabbare, men befintliga modeller kunde inte förklara hur detta hände. Men nyligen har forskare använt optogenetiska verktyg i djurstudier för att visa att hippocampus också arbetar för att etablera dessa snabbt bildade kortikala minnen.

Hippocampus hjälper till att snabbt skapa omogna minnesengram i cortex, säger Takashi Kitamura , en biträdande professor vid University of Texas Southwestern Medical Center. Hippocampus lär fortfarande ut cortex, men utan optogenetiska verktyg hade vi kanske inte observerat de omogna engrammen.

Kan minnen manipuleras?

Minnen är inte så stabila som de kan kännas . Till sin natur måste de vara mottagliga för förändring, annars skulle lärande vara omöjligt.

För nästan ett decennium sedan, MIT-forskare genetiskt förändrade möss så att när deras neuroner var aktiva under inlärning, aktiverade denna aktivitet ChR2-genen, som var kopplad till ett grönt fluorescerande protein. Genom att se vilka neuroner som fluorescerade kunde neuroforskare identifiera vilka som var involverade i lärandet. Och de kunde återaktivera specifika minnen genom att skina ljus på ChR2-gener som är associerade med dessa neuroner.

Med denna förmåga infogade MIT-forskarna ett falskt minne i mushjärnor. Först placerade de mössen i en triangulär låda, som aktiverade specifika ChR2-gener och neuroner. Sedan lade de mössen i en fyrkantig låda och gav stötar mot deras fötter medan de lyste ett ljus på ChR2-neuronerna som var associerade med den första miljön.

Så småningom associerade mössen minnet av triangellådan med stötarna trots att de bara chockades när de var i den fyrkantiga lådan. Djuren var rädda för en miljö som tekniskt sett aldrig hade hänt något 'dåligt', säger de Steve Ramirez , en medförfattare till studien som nu är biträdande professor i neurovetenskap vid Boston University.

Det är inte möjligt att använda sådana tekniker som involverar fiberoptiska kablar och lasrar för att experimentera på den mänskliga hjärnan, men resultaten på hjärnan hos möss antyder hur lätt minnen kan manipuleras.

Kan vi se minnen utanför hjärnan?

Mänskliga minnen kan visuellt rekonstrueras med hjälp av hjärnskannrar . I forskning utförd av Brice Kuhl , som nu är biträdande professor i kognitiv neurovetenskap vid University of Oregon, fick människor bilder att se och deras hjärnor skannades med en MRI-maskin för att mäta vilka regioner som var aktiva. En algoritm tränades sedan för att gissa vad personen tittade på och rekonstruera en bild utifrån denna aktivitet. Algoritmen rekonstruerade också bilder från deltagare som ombads hålla en av bilderna de såg i sina sinnen.

Det finns mycket utrymme för förbättringar i dessa rekonstruerade bilder, men detta arbete visade att neuroimaging och rekonstruktionsalgoritmer verkligen kan visa innehållet i mänskliga minnen för andra att se.

Tekniken har låtit neuroforskare titta in i hjärnan och se de små glödande spåren av minnet. Ändå har upptäckten att erfarenheter och kunskap kan implanteras eller externiseras också gett minnet en annan innebörd. Vad betyder detta för vår känsla av vilka vi är?

Joshua Sarinana är neurovetare, författare och konstfotograf.