Pogled na to kako naš mozak s vremenom organizira sjećanja

Istraživanje organizacije našeg pamćenja dugo je bilo tema fascinacije među neuroznanstvenicima s obzirom da bi to moglo dovesti do tretmana za uklanjanje kognitivnih oštećenja. Ovdje ćemo pregledati neka nedavna otkrića o tome kako je organizirana memorija koja pokazuju važnost koordiniranog "vala" neuronske aktivnosti u prostornoj navigaciji i vremensku prirodu koja temelji na tome kako se kodiraju povezane uspomene.

U tu svrhu, ovdje opisani rezultati ističu presudnu i promjenjivu ulogu hipokampusa - memorijskog centra mozga - u formiranju i konsolidaciji naših sjećanja, a šire i na našem osjećaju identiteta.

Dirigiranje moždanim neuronskim "orkestrom": Prostorne karte u našem umu

Kako se za miša ažurira i izrađuje karta prostora kada se kreće okolinom? U nedavnoj studiji znanstvenici prvi put izvješćuju da je za ovu kartu odgovorno središnje područje hipokampusa CA1 u mozgu miša - i da se to događa ulazom neuronskih valova iz područja mozga u blizini. Da bi se to demonstriralo, područje hipokampusa CA3 smješteno blizu CA1 izmanipulirano je tako da je njegov ulaz isključen. Zapravo, kad je unos zaustavljen, došlo je do značajnog premetanja ažuriranih karata.

U ovom su istraživanju miševi genetski inženjerirani da eksprimiraju toksin u CA3 koji je zaustavio funkciju sinaptičkih spojeva koji povezuju CA3 s drugim područjima mozga. To ne mijenja neuronsku aktivnost, ali uklanja komunikaciju između sinapsi, a znanstvenicima je omogućilo da istraže što se događa sa svemirskom mapom u CA1 kada je unos CA3 eliminiran.

Zatim su zabilježeni električna struja iz pojedinih neurona i ukupna električna struja iz veće skupine neurona (nazvani potencijali lokalnog polja) dok su miševi trčali po stazi. Znanstvenici bi tada mogli izmjeriti svaki theta ciklus, odnosno vrijeme tijekom kojeg je neuronska prostorna karta u hipokampusu ažurirana kako je određeno aktivnošću miševa.

Iako transgeni miševi nisu imali poteškoća u izvršavanju navigacijskog zadatka, a pojedinačni neuronski signali mogli su točno predstavljati prostorne informacije, ključno je otkriće bilo da postoje jasne pogreške u organizaciji tih neuronskih signala na globalnoj razini populacije. Jednostavna analogija koja bi to ilustrirala bila bi da uklanjanje ulaza iz CA3 u CA1 nije promijenilo neuronsku "glazbu", već je uklonilo "dirigenta".

Ova je studija prva koja je osvijetlila sklopove koji povezuju ansamble stanica stanica (vrsta neurona hipokampusa koji sudjeluje u prostornoj navigaciji) i način na koji se oni ažuriraju. Točnije, uklanjanje CA3 ulaza ometalo bi mogućnost predviđanja prostornog položaja. Ovo naglašava kritičnu važnost neurona koji se aktiviraju u nizu kako bi se osiguralo da možemo organizirati uspomene kroz vrijeme.

Ovdje vidimo da je neuronskom "orkestru" potreban "dirigent" u obliku CA3 ulaza, te da pojedini neuroni u hipokampusu nisu dovoljni za stvaranje funkcionalne mape prostora. Ovo naglašava međuovisnost strategija koje određuju kodiranje neurona. Značajno je da je došlo do značajnog smanjenja neuronskih oscilacija, tipičnih za komunikaciju od CA3 do CA1. S obzirom na to da su takvi poremećaji prethodno povezani s neurodegenerativnim bolestima poput Alzheimerove bolesti, budući rad na organizaciji moždanog ritma mogao bi stoga poboljšati razumijevanje kako je moždani krug organiziran u takvim bolestima.

Gubljenje veza između srodnih sjećanja kako starimo - može li se to preokrenuti?

U drugoj studiji, skupina znanstvenika koristila je maleni mikroskop (nazvan Miniskop) kako bi mozak pregledala kroz minijaturni prozor i istražila kako su sjećanja u mozgu povezana s vremenom.Iako su takve veze s godinama postupno oslabljene, ti su znanstvenici uspjeli stvoriti način koji omogućava da se zasebna sjećanja ponovo povežu u sredovječnom mišjem mozgu. Važno je da ovo ima ogroman potencijal za razvoj u liječenju pacijenata s dobnom demencijom.

Miniskop montiran na glavu korišten u ovoj studiji omogućio je znanstvenicima da vizualiziraju neurone koji pucaju u mozgu dok su se miševi smjeli slobodno kretati. Za ovu su studiju korištene tri jedinstvene kutije, a u prvom dijelu studije sudjelovali su mladi miševi. Ovdje je svaki miš stavljen u sve tri po 10 minuta po sesiji. Smještanje u prvu i drugu kutiju odvojilo je tjedan dana, dok je u drugu i treću kutiju odvojilo samo pet sati. Uz to, miš je dobio šok u trećem polju.

Nakon dva dana, svaki je miš vraćen u sve tri kutije. Nije iznenađujuće što su se miševi sledili od straha kad su prepoznali karakteristike treće kutije. Međutim, ono što je bilo intrigantno je to što se i miš smrznuo kad se stavi u drugu kutiju unatoč činjenici da u njoj ranije nije bilo šoka. To sugerira da je sjećanje na šok prebačeno iz treće kutije u iskustvo u drugoj kutiji koja se dogodila pet sati prije.

Sličan je eksperiment potom izveden sa sredovječnim miševima koristeći dvije kutije u razmaku od pet sati, pri čemu je u drugoj kutiji zadan šok. Utvrđeno je da su se ovi stariji miševi smrznuli samo u drugoj kutiji gdje su bili šokirani, a ne u prvoj kutiji. S tim u vezi, Miniscope je otkrio da dvije uspomene nisu povezane i da su umjesto toga imali zasebno kodirane neuronske sklopove. Upečatljivije je to ukazalo da je starenje oslabilo sposobnost neurona da se pobude i kodiraju memoriju.

Možda je najuzbudljivije otkriće u ovoj studiji bilo da bi se te izgubljene veze zapravo mogle spasiti. U sljedećem nizu eksperimenata, znanstvenici su prvi put pobudili neurone u regiji hipokampusa prije nego što su miševe smjestili u prvu kutiju. Miševi su zatim uvedeni u prvu i drugu kutiju, gdje je nakon dva dana primijenjen šok stopala. Nakon ponovnog uvođenja u prvu kutiju, miševi su se smrzli dok su povezivali šok u drugoj kutiji s prvom, što implicira da je pojačana neuronska ekscitabilnost spasila dobno pogoršanje povezivanja pamćenja.

Posebno je važno primijetiti da se sjećanja ne javljaju izolirano u stvarnom životu, s obzirom na to da prošla iskustva utječu na to kako se nova sjećanja formiraju i utječu na naše procese donošenja odluka u budućnosti. Nadamo se da će istraživanja na ovom polju jednog dana pomoći ljudima s dobnim kognitivnim padom u smislu poboljšanja njihovih sposobnosti povezivanja i zadržavanja uspomena.

Reference

Cai, D. J., Aharoni, D., Shuman, T., Shobe, J., Biane, J., Song, W., ... Silva, A. J. (2016). Zajednički neuronski ansambl povezuje različite kontekstualne uspomene kodirane izbliza u vremenu. Priroda, 534(7605), 115–118. doi: 10,1038 / nature17955

Feng, T., Silva, D. i Foster, D. J. (2015). Disocijacija između razvoja ovisnih o iskustvu hipokampalnih Theta sekvenci i faze precesije u jednom ispitivanju. Časopis za neuroznanost, 35(12), 4890–4902. doi: 10,1523 / jneurosci.2614-14.2015

Middleton, S. J., & McHugh, T. J. (2016). Utišavanje CA3 remeti privremeno kodiranje u CA1 cjelini. Neuroznanost o prirodi, doi: 10,1038 / nn.4311

Moser, E. I., Roudi, Y., Witter, M. P., Kentros, C., Bonhoeffer, T., i Moser, M.-B. (2014). Mrežne stanice i kortikalni prikaz. Nature Reviews Neuroscience, 15(7), 466–481. doi: 10,1038 / nrn3766

Ovaj gostujući članak izvorno se pojavio na nagrađivanom blogu o zdravstvu i znanosti i zajednici tematiziranoj mozgu, BrainBlogger: Kako mozak organizira sjećanja tijekom vremena?