Spåra ett minne

Susumu Tonegawa kan få möss att minnas saker som aldrig hänt. I en anmärkningsvärd serie studier som hans labb har publicerat under de senaste fyra åren, har hans team utarbetat sätt att spåra och manipulera djurens minnen – implantera falska minnen, ändra dåliga minnen till bra och till och med återställa minnen hos möss med minnesförlust . Dessa studier har avancerat området för minnesforskning och bekräftade den 77-årige Tonegawa som en av dess ledare.

Men när han berättar om detta arbete på sitt kontor vid MIT:s Picower Institute for Learning and Memory, verkar Tonegawa mest animerad när han pratar om frågor som han inte har besvarat ännu - som de om minnens långsiktiga öde. Hans forskning har till stor del fokuserat på hippocampus, ett område i hjärnan som är avgörande för att minnas upplevelser. Forskare har vetat i decennier att hippocampus bara är ett tillfälligt förvar, förklarar han. Ett minne som vi behåller i åratal finns i neocortex.

Jag frågar honom hur det är möjligt för ett minne att flytta från en plats i hjärnan till en annan.

Hur är det möjligt att en upplevelse som en film du såg i går kväll är inbäddad på något sätt i din hjärna?

Det är vad vi studerar nu, säger han och hans ansikte lyser upp. Hans labb spårar interaktionen mellan de två hjärnområdena för att ta reda på hur minnen hamnar i neocortex. Om forskarna kan identifiera exakt vilka celler som har ett långtidsminne kan de börja studera och manipulera dessa minnen som de har gjort med korttidsminnen. Men det här är i framkant av vår forskning, säger han med ett skratt, som om han ger bort något. Detta är nästa steg. Vi gör många saker, men det här är en av de saker jag är väldigt exalterad över.

Forskare som känner Tonegawa säger att han alltid tänker på nästa steg. En av de saker som kännetecknar Susumu som vetenskapsman är ett obevekligt fokus på det han uppfattar som det viktigaste problemet inom sitt område, säger David Anderson, neuroforskare vid Caltech. Han är en total vetenskapsman. Han vill veta vad svaret på frågan är; han bryr sig om att få rätt svar.

Tonegawas labb hittade en hjärnkrets som hjälper till att bilda episodiska minnen. Den matar information om en upplevelse till hippocampus genom två distinkta vägar: Havsceller (gröna) skickar kontextuella data; öceller (röda) relätidinformation.

Han är inte stor på sociala evenemang, och han är inte känd för småprat (såvida det inte handlar om Red Sox). Istället drivs han av nyfikenhet. Närmare bestämt om frågor som den här: Hur är det möjligt att en upplevelse som en film du såg i går kväll är inbäddad på något sätt i din hjärna?

Minne är något som du inte kan fästa, säger Tonegawa. Begreppsmässigt sker ett hopp från en fysisk enhet till ett icke-fysiskt fenomen – information. Frågan är hur man lagrar informationen? Det måste finnas någon form av fysisk grund för denna lagring.

Chockerande minnen

Hjärnvetenskap är verkligen en andra karriär för Tonegawa, som först blev framträdande för arbete som hjälpte till att förklara hur immunsystemet fungerar. Född i Nagoya, Japan, 1939, studerade han kemi innan han blev fascinerad av molekylärbiologi på college. Han tog sin doktorsexamen vid University of California, San Diego, och arbetade på Salk Institute och sedan Basel Institute for Immunology i Schweiz. Där tog han upp problemet med hur immunsystemet kan generera olika antikroppar för att försvara sig mot patogener. Hans experiment, som visade att DNA som används för att göra antikroppar blandas runt för att ge många nya kombinationer under en individs livstid, gav honom Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1987.

Tonegawa rekryterades till MIT 1981 för att arbeta i dess Center for Cancer Research. Hans forskning involverade genetiskt modifierade möss för att studera geners roll i immunsystemet, och det var den tekniken som först ledde honom till neurovetenskap. I mitten av 1980-talet tillät han en postdoktor, Alcino Silva (nu chef för Integrative Center for Learning and Memory vid UCLA), att utforska en forskningsväg som han redan tänkte på: att använda genteknik för att studera hjärnan. 1992 rapporterade de att radering av en viss gen försämrade möss förmåga att lära sig rumslig information. Det var ett viktigt fynd: en enda gen kan påverka en komplex kognitiv process.

Så småningom blev sådant arbete den enda fokusen för Tonegawas labb. Jag kände att hjärnan är ett riktigt ämne för framtiden, säger han. Neurovetenskap var ett växande område, och genetiskt modifierade möss öppnade ett nytt sätt att undersöka det.

Susumu Tonegawa

Tonegawa bestämde sig för att fokusera på inlärning och minne. Han såg att att reda ut hur hjärnan skaffar information och lagrar minnen är en av de mest kritiska frågorna inom neurovetenskap. Även om hjärnan är sammansatt av celler som alla andra organ, är den annorlunda i ett viktigt avseende. Hjärnan har skaffat sig förmågan att ta en del information som kommer utifrån och lagra den och använda den, säger han. Det är en väldigt grundläggande funktion i hjärnans funktion.

Tonegawa samlade avsevärda resurser för att ta itu med denna fråga och grundade Center for Learning and Memory (senare kallat Picower Institute) vid MIT 1994. Han skulle fungera som dess chef till 2006. År 1996 hade hans labb hjälpt till att utveckla en teknik för att stänga av en gen av intresse i specifika hjärnregioner och celltyper, vilket gör det möjligt att i oöverträffad detalj undersöka hur proteinerna som produceras av dessa gener påverkar djurens kognitiva processer. På senare tid har Tonegawas labb, liksom många andra inom neurovetenskap, börjat använda ny teknik som optogenetik, som gör det möjligt att studera sammankopplade nätverk av celler i det levande djurets hjärna. Detta är ett viktigt framsteg, säger han, eftersom ett enda minne bildas från ett mönster av anslutningar mellan en unik undergrupp av celler.

Dessa teknologier gör det möjligt för Tonegawa att undersöka detaljerna kring minnesbildning. Tidigare forskning gjorde det möjligt för forskare att identifiera regioner i hjärnan som vanligtvis är involverade i minnesbildning och lagring. Men att identifiera ett enda unikt minne är mycket mer utmanande. En tysk zoolog, Richard Semon, myntade termen engram i början av 1900-talet för att beskriva den fysiska signaturen av ett enda minne. När du upplever eller lär dig ny information, spekulerade han, förändras vissa hjärnceller, och när du möter en liknande stimulans senare, återaktiveras samma celler, vilket får dig att återkalla minnet.

Teorin ignorerades i decennier, men under de senaste åren har forskare gjort framsteg i att jaga den fysiska signaturen av specifika minnesengram i hippocampus. De visade till exempel att radering av de hjärnceller som var aktiva under bildandet av ett minne ledde till att djur glömde den informationen. Men som all taktik som förlitar sig på hjärnskador, är detta tillvägagångssätt begränsad, säger Sheena Josselyn, senior forskare vid sjukhuset för sjuka barn i Toronto. Man kan göra många saker för att en mus inte kommer ihåg något eller inte kan utföra en uppgift, säger hon. Det finns ingen specificitet där.

Labbet botade symtom på depression hos möss genom att artificiellt återaktivera glada minnen. Dessa nyfödda celler i hippocampus var resultatet av minnesreaktivering.

För att bättre förstå processen, säger Tonegawa, var de tvungna att kunna återaktivera ett minne, inte bara förstöra det. Det genombrottet kom 2012, när labbmedlemmarna Xu Liu och Steve Ramirez, PhD '15, publicerade en artikel i Natur demonstrerar att de kunde framkalla ett specifikt minne i en mus efter behag.

För att göra det sammanförde och utökade Liu och Ramirez (2013 års TR35-vinnare) två teknologier som utvecklats i andra labb. En är optogenetik, som introducerar ett ljuskänsligt protein i cellerna så att de kan aktiveras med ljus. Den andra är en teknik för att tagga hjärnceller som är involverade i minnesbildning. Liu och Ramirez höll mössen på läkemedlet doxycyklin, som undertrycker märkningen; sedan tog de mössen från läkemedlet under en kort tidsperiod så att de kunde rikta in sig på minnesceller som var aktiva under en specifik händelse. Resultatet: celler som de identifierade utgöra ett specifikt minne – som forskarna kallar engramcellerna – kan senare aktiveras med ljus.

Liu och Ramirez använde tekniken för att märka celler i hippocampus på en mus medan den fick en mild fotchock i en bur. Normalt skulle en mus som återvände till samma bur frysa, immobiliserad av minnet av sin dåliga upplevelse, men den skulle bete sig som vanligt när den placerades i en bur som den inte associerade med chocken. I det här fallet placerade forskarna dock musen i en säker bur och levererade ljuspulser genom små fibrer för att aktivera engramcellerna i hippocampus. Djuret frös precis som om det kom ihåg att det var chockat i den miljön.

Ramirez, som nu är huvudutredare vid Harvards Center for Brain Science, säger att han och Liu inspirerades av filmen Början och blev verkligen kär i denna idé att skapa ett nytt eller falskt minne. (Liu dog 2015, kort efter att ha blivit biträdande professor vid Northwestern University.) I en uppföljning märkte de minnesbildande celler när möss utforskade en normal bur. Nästa dag satte de mössen i en annan bur och gav en fotchock samtidigt som de aktiverade de taggade cellerna. När mössen placerades igen i den säkra buren frös de av rädsla, vilket antydde att de hade fått det falska minnet av att ha blivit chockade i den buren.

Trycker hårt

Tonegawa ger de 40 medlemmarna i hans grupp extraordinär frihet, autonomi och tid att få rätt svar eller designa det perfekta experimentet. Ramirez kallar labbet, som sträcker sig över två våningar av Picower Institute, en lekplats för vetenskap, och tillägger att Tonegawa inte är gift med en viss dogm eller resultat. Han uppmuntrar folk att följa uppgifterna, säger han.

Tonegawa är också känd för att pusha sina labbmedlemmar. Doktorand Dheeraj Roy minns sin spänning när han träffade Tonegawa i september 2014 för att visa de senaste uppgifterna han hade samlat in. Roy studerade om han kunde återställa förlorade minnen hos möss med ett tillstånd som liknar tidig Alzheimers sjukdom. Han hade mödosamt modifierat tekniken som Liu och Ramirez hade utvecklat för att fungera i dessa möss, och hans data såg fantastiska ut: genom att aktivera engramceller med ljus kunde han få Alzheimermössen att minnas att de fick en fotchock i en bur flera dagar tidigare, något de skulle normalt ha glömt.

Tonegawas grupp identifierade cellerna (visade i rött) där minnesspår lagras i musens hippocampus. Forskarna kunde plantera falska minnen genom att återaktivera dessa celler.

Men Tonegawas reaktion var inte exakt vad Roy hade hoppats på. Efter de första två minuterna av vårt möte hade han redan gått vidare, minns Roy. Tänk om det fanns ett sätt att återställa minnet permanent, undrade han, inte bara när lampan var på? Det var en idé som de aldrig hade pratat om förut, men Roy misstänker att den kan ha varit i Tonegawas sinne hela tiden.

Det var vad Roy kallar det berömda 'men'.

Han säger: ’Om vi ​​bara kunde göra ett experiment till.’ Vi har alla hört detta fyrahundra gånger, säger Roy. Han kommer inte att berätta för dig vägen, men han kommer att visa dig mållinjen.

Det tog ytterligare 12 månader av experiment efter det mötet, men Roy fortsatte med att upptäcka att kopplingarna mellan engramceller var svagare hos möss med minnesbrist, och han utvecklade ett protokoll för att pulsera ljus upprepade gånger på cellerna som fick kopplingarna att stärkas och minnen att bestå även när ljuset var släckt. Forskningen, som publicerades tidigare i år, visade inte bara att minnen kvarstår hos de sjuka mössen; det erbjöd ett nytt koncept för att återställa minnet vid neurodegenerativ sjukdom.

Annan forskning i Tonegawas labb har utforskat rollen av engramceller i normalt beteende såväl som sjukdom. Ramirez och Liu ledde en studie som fann att de kunde eliminera depressionsliknande beteenden hos möss som utsätts för kronisk stress genom att återaktivera engram-celler associerade med en tidigare positiv upplevelse. Forskning ledd av Roger Redondo, då postdoc, och doktorand Joshua Kim undersökte om uppfattningen av ett minne som negativt eller positivt kunde vändas. Och en nyligen genomförd studie inom Science identifierade ett område av hippocampus som är involverat i att minnas sociala interaktioner. När Teruhiro Okuyama arbetade med möss för att aktivera engramceller kopplade till minnet av att träffa en annan mus, reagerade djuret som om en ny mus var bekant.

Dessa studier har fascinerat allmänheten med förslaget att våra minnen är formbara, men Tonegawa påpekar att det fortfarande är långt kvar att översätta gnagarexperiment till mänskliga resultat. Vi hoppas att det vi gör med djurstudier är användbart för framtida terapi, säger han. Men att säkert stimulera mänskliga hjärnceller och kretsar med sådan precision är fortfarande inte möjligt.

Istället har han fokuserat på flera frågor som har dykt upp från denna forskning. Han undersöker förhållandet mellan hippocampus och andra hjärnområden, fortsätter att reda ut känslornas roll i minnet och undersöker hur vi minns sekvenser av tidigare händelser.

Tonegawa, som leder RIKEN-MIT Center for Neural Circuit Genetics och RIKEN Brain Science Institute i Japan, minskade nyligen storleken på sitt labb och säger att han kan genomföra färre av de undersökande projekten som ofta har lett hans forskning i nya riktningar. Hans intressen har minskat, säger han, i kölvattnet av en personlig tragedi: självmordet av hans son Satto, en MIT-student, 2011. Men hans varaktiga fokus på sitt vetenskapliga arbete har hjälpt honom att hantera sin sorg.

Så länge jag lever och har energi vill jag fortsätta, säger han, men tillägger med ett skratt: Jag tror att jag kommer att stanna kvar med minnet.

Obs: Den här historien ändrades den 16 november 2016.

Dölj