Στο Brain’s Electrical Ripples, εμφανίζονται δείκτες για αναμνήσεις
«Είναι πολύ εύκολο να σπάσεις πράγματα στη βιολογία», είπε η Λόρεν Φρανκ, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο. "Είναι πραγματικά δύσκολο να τα κάνεις να λειτουργήσουν καλύτερα."
Ωστόσο, ενάντια στις πιθανότητες, ερευνητές της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης ανέφεραν νωρίτερα αυτό το καλοκαίρι ότι είχαν βελτιώσει τη μνήμη των πειραματόζωων με το να φτιάχνουν το μήκος ενός δυναμικού σήματος στον εγκέφαλό τους - ένα σήμα που γοήτευε νευροεπιστήμονες όπως ο Frank για δεκαετίες. . Το κατόρθωμα είναι συναρπαστικό από μόνο του, με τη δυνατότητα να ενισχύσει την ανάκληση και στους ανθρώπους κάποια μέρα. Ωστόσο, επισημαίνει επίσης έναν πιο ολοκληρωμένο τρόπο σκέψης για τη μνήμη και προσδιορίζει μια σημαντική ένδειξη, που έχει τις ρίζες της στη διάρκεια ενός νευρικού συμβάντος, που θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της μνήμης.
Από τη δεκαετία του 1980, οι επιστήμονες έχουν συντονιστεί σε σύντομες εκρήξεις συγχρονισμένης νευρικής δραστηριότητας στην περιοχή του εγκεφάλου που ονομάζεται ιππόκαμπος. Η δραστηριότητα αποτελείται από πολύπλοκα, διαδοχικά ηλεκτρικά μοτίβα που, όταν καταγράφονται, «ακούγονται σαν έκρηξη», δήλωσε ο Shantanu Jadhav, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Brandeis. Από την ανακάλυψή τους, αυτοί οι «αιχμηρές κυματισμοί» έχουν συσχετιστεί με τη μνήμη επειδή προκύπτουν όταν οι νευρώνες αναπαράγουν ξαφνικά τα προηγούμενα μοτίβα πυροδότησης τους σε μια επιταχυνόμενη άνοδο, σαν να επαναλαμβάνουν γρήγορα αποσπάσματα προηγούμενης εμπειρίας. Το κάνουν όταν ένα ζώο κοιμάται, πιθανώς για να ενοποιήσουν τη νέα γνώση για μακροχρόνια αποθήκευση.
Με την πάροδο του χρόνου, κατέστη σαφές ότι οι απότομοι κυματισμοί δεν είναι απλώς μια υπογραφή της παθητικής ενοποίησης της μνήμης. εμπλέκονται επίσης σε πιο ενεργές διαδικασίες που βασίζονται στη μνήμη, όπως η ανάκτηση μνήμης και η χρήση μνημών για την καθοδήγηση νέων συμπερασμάτων. Τα πυροτεχνήματα του ιππόκαμπου που κυριαρχούν στην ώρα του υπνάκου συμβαίνουν επίσης συχνά σε ζώα που είναι ξύπνια αλλά αδρανοποιημένα και απρόσεκτα, ή στο κατώφλι μιας απόφασης ή εξερευνούν ένα νέο περιβάλλον. «Το περιεχόμενο πληροφοριών στους κυματισμούς μπορεί να είναι μια αληθινή επανάληψη για κάτι που συνέβη προηγουμένως», είπε ο Μπραντ Φάιφερ, νευροεπιστήμονας στο Ιατρικό Κέντρο Southwestern του Πανεπιστημίου του Τέξας, «ή μπορεί να είναι μια φαντασία για κάτι που μπορεί να συμβεί στο μέλλον».
Δηλαδή, οι απότομοι κυματισμοί των κυμάτων «έμοιαζαν με αυτό που θα φανταζόσασταν ότι μοιάζει μια ανάμνηση στον εγκέφαλο… ή σαν εξερευνήσεις πιθανών μελλοντικών εμπειριών» με βάση προηγούμενες, είπε ο Frank. Είτε έτσι είτε αλλιώς, οι κυματισμοί «φαίνονταν καλά στημένοι ως ένα σημαντικό μέρος αυτού που οδηγεί τη μάθηση στον εγκέφαλο, μια κρίσιμη πτυχή του εγκεφάλου που μαθαίνει νέα πράγματα» — ένας «γνωστικός βιοδείκτης» για τις πολλές μορφές που μπορεί να πάρει η μνήμη.
Ο Frank, ο Jadhav και οι συνάδελφοί τους εδραίωσαν αυτή την ιδέα το 2012, όταν χρησιμοποίησαν ηλεκτρικούς παλμούς για να διαταράξουν τους απότομους κυματισμούς των κυμάτων σε αρουραίους που μαθαίνουν να πλοηγούνται σε έναν τρίπτυχο λαβύρινθο που έμοιαζε με το κεφάλι της τρίαινας. Όταν το ζώο βρισκόταν σε έναν από τους εξωτερικούς βραχίονες του λαβύρινθου, έπρεπε να επιστρέψει στο κέντρο για να λάβει μια ανταμοιβή. όταν βρισκόταν στον μεσαίο βραχίονα, έπρεπε να πάει αριστερά αν είχε προηγουμένως επιλέξει να πάει δεξιά και δεξιά αν είχε προηγουμένως επιλέξει να πάει αριστερά. Η παρεμβολή κυματισμού δεν είχε καμία επίδραση στην απόδοση των αρουραίων στο πρώτο μέρος της εργασίας, όταν χρειάστηκε μόνο να επιστρέψουν στο σημείο εκκίνησης. Ωστόσο, προκάλεσε μια αξιοσημείωτη πτώση στην ικανότητά τους να εναλλάσσουν το μονοπάτι που ακολούθησαν προς τα εξωτερικά μπράτσα — το μέρος της εργασίας που τους απαιτούσε να θυμούνται την προηγούμενη απόφασή τους να πάνε δεξιά ή αριστερά.
Τώρα, οι ερευνητές με επικεφαλής τον νευροεπιστήμονα György Buzsáki προσέφεραν επιτέλους θετική απόδειξη ότι οι κυματισμοί απότομης κυματισμού παίζουν ρόλο στη μνήμη:Η τεχνητή παράταση των κυματισμών σε αρουραίους βελτίωσε την απόδοσή τους στην ίδια εργασία μνήμης που είχε χρησιμοποιήσει η ομάδα του Frank. Η εργασία δημοσιεύτηκε στο Science τον Ιούνιο.
«Νομίζω ότι το γεγονός ότι βρήκαν έναν τρόπο να επιταχύνουν τη μάθηση ενισχύοντας ένα υπάρχον πρότυπο δραστηριότητας ήταν πραγματικά δημιουργικό και αποτελεσματικό», είπε ο Frank, «και πραγματικά μας βοηθά να κάνουμε ισχυρότερους συσχετισμούς μεταξύ αυτού του προτύπου και της μάθησης και της μνήμης. ”
Αλλά το επίτευγμα υπογραμμίζει επίσης τη σημασία ενός χαρακτηριστικού των κυματισμών που οι ερευνητές δεν είχαν πραγματικά εξετάσει:το μήκος τους. Οι επιστήμονες είχαν παρατηρήσει προηγουμένως ότι οι περισσότεροι φυσικοί κυματισμοί στον ιππόκαμπο διήρκεσαν μόνο περίπου το ένα δέκατο του δευτερολέπτου, αν και ένα μικρό ποσοστό από αυτούς επέμενε πέρα από αυτό - αλλά δεν είχαν ερευνήσει εάν η διάρκεια ήταν σχετική ή ποια θα μπορούσε να είναι σχετικές για. «Οι άνθρωποι ήξεραν ότι οι κυματισμοί απότομων κυμάτων είχαν διαφορετικά μήκη, αλλά νομίζω ότι προηγουμένως υπέθεταν ότι ήταν τυχαίοι», δήλωσε ο A. David Redish, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Στην πραγματικότητα, αυτό το είδος λοξής κατανομής έχει εμφανιστεί σε πολλαπλές κλίμακες στον εγκέφαλο - στους ρυθμούς πυροδότησης των νευρώνων, στην ισχύ των συνάψεων και στην ταχύτητα αγωγής των αξόνων, για παράδειγμα. Οι ειδικοί γενικά πιστεύουν ότι «επιτρέπει μια ισορροπία μεταξύ ανταγωνιστικών απαιτήσεων σε δυναμικά συστήματα», που μπορεί να διευκολύνει μεγαλύτερη σταθερότητα ή στιβαρότητα, είπε ο Buzsáki. Αλλά αυτός και η ομάδα του αποφάσισαν να σκάψουν βαθύτερα στο τι σήμαινε αυτό ειδικά για τους απότομους κυματισμούς.
Όταν οι αρουραίοι εισήλθαν σε ένα νέο περιβάλλον - όταν άρχισαν για πρώτη φορά να περιηγούνται στον λαβύρινθο των τριών άκρων, για παράδειγμα - οι ερευνητές παρατήρησαν ότι ο αριθμός των μακριών κυματισμών έτεινε να είναι μεγαλύτερος από το συνηθισμένο. Καθώς τα ζώα εκτέθηκαν επανειλημμένα στο ίδιο περιβάλλον, οι κυματισμοί διαρκούσαν όλο και λιγότερο χρόνο. Άλλες πειραματικές συγκρίσεις οδήγησαν στο ίδιο συμπέρασμα:ότι οι μεγαλύτεροι κυματισμοί μπορεί να σχετίζονται με εργασίες που απαιτούν μεγαλύτερη μνήμη ή γνωστικό φορτίο. "Είναι σχεδόν σαν να υπάρχει κάποια εσωτερική διαδικασία που λέει, "Χρειάζομαι μεγαλύτερους κυματισμούς απότομα κύμα", είπε ο Redish.
Όταν ο Buzsáki και οι συνάδελφοί του διέγειραν τον εγκέφαλο με φως για να κάνουν τους κυματισμούς να διαρκέσουν περισσότερο, διαπίστωσαν ότι άλλοι, σχετικοί νευρώνες ένωσαν το σχέδιο. Ο ιππόκαμπος φαινόταν να αναπαράγει περισσότερο την ακολουθία — σε αυτήν την περίπτωση, αντανακλώντας περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την προηγούμενη διαδρομή του αρουραίου μέσω του λαβύρινθου, «εμφανίζοντας ολόκληρο το ταξίδι», είπε ο Buzsáki.
«Η επέκταση των κυματισμών στην πραγματικότητα επιμηκύνει τις τροχιές που επανενεργοποιούνται», είπε ο Jadhav. "Υπάρχει μεγάλη πιθανότητα αυτός να είναι ένας μηχανισμός για να φανταζόμαστε όλα τα διαθέσιμα μονοπάτια" ο αρουραίος πρέπει στη συνέχεια να επιλέξει.
Συνολικά, αυτό δείχνει ότι «το μήκος του απότομου κυματισμού κύματος έχει σημασία», είπε ο Redish. "Σχετίζεται με τις πληροφορίες που επεξεργάζονται μέσα σε αυτό και οι κυματισμοί απότομων κυμάτων που επεξεργάζονται περισσότερες πληροφορίες είναι πιο απαραίτητοι για τη μνήμη."
Τώρα, οι ερευνητές μπορούν να επιστρέψουν στην προηγούμενη εργασία τους για να δουν εάν το μήκος των κυματισμών προσφέρει μια νέα προοπτική στους μηχανισμούς μνήμης. Ο Redish, για παράδειγμα, είχε διαπιστώσει προηγουμένως ότι οι κύματα απότομων κυμάτων χαρακτήριζαν τις νευρικές καταστάσεις των αρουραίων που δημιουργούν νέες νοητικές συνδέσεις. εκ των υστέρων, είπε, αυτοί οι κυματισμοί ήταν επίσης μεγαλύτεροι. "Έτσι, θα μπορούσε να είναι ότι αυτοί οι μεγαλύτεροι απότομοι κυματισμοί εμπλέκονται επίσης σε μια καλύτερη λειτουργία σύνδεσης."
Ωστόσο, μια τέτοια πιθανότητα εγείρει επίσης μια ποικιλία άλλων ερωτημάτων - τι μπορεί να κάνουν οι μικρότεροι κυματισμοί, τι σχέση μπορεί να έχει το μήκος των κυματισμών με πιο μακρινές αναμνήσεις ή με μελλοντικό σχεδιασμό και εάν οι μακροί και οι σύντομοι κυματισμοί αλληλεπιδρούν διαφορετικά με τις περιοχές του εγκεφάλου εκτός ο ιππόκαμπος. (Ο Buzsáki τώρα αρχίζει να ακολουθεί αυτή την τελευταία γραμμή έρευνας.)
Η εστίαση σε αιχμηρούς κυματισμούς - και η εργασία που έχουν χρησιμοποιήσει ο Frank και ο Buzsáki για να το μελετήσουν - είναι επίσης ενδιαφέρουσα επειδή περιλαμβάνει πολλούς διαφορετικούς τρόπους σκέψης για τη μνήμη. «Έχουμε όλες αυτές τις διακρίσεις, ότι η μνήμη είναι το παρελθόν, ότι ο σχεδιασμός και η φαντασία είναι το μέλλον», ότι μια περιοχή του εγκεφάλου είναι υπεύθυνη για την ενεργό βραχυπρόθεσμη μνήμη και μια άλλη για τη μακροπρόθεσμη μνήμη «εκτός σύνδεσης», είπε ο Buzsáki. «Αλλά ο εγκέφαλος μπορεί να μην λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο. Αυτά τα πράγματα δεν είναι τόσο εύκολο να τα χωρίσεις."
Ίσως υπάρχει ένα επιχείρημα που πρέπει να προβληθεί για τη μελέτη της μνήμης «με γενικότερους όρους», πρόσθεσε.
Όσον αφορά τον τρόπο ορισμού της μνήμης και τον καλύτερο τρόπο μελέτης της, «Δεν πιστεύω απαραίτητα ότι ως τομέας γνωρίζουμε ακόμη τι κάνουμε», είπε ο Frank. «Ακόμα σκοντάφτουμε στο σκοτάδι». Αλλά σε αυτές τις εκρήξεις κυματιστικής δραστηριότητας, ίσως βρούμε κάποιο φωτισμό.
Σημείωση του συντάκτη:Το έργο της Λόρεν Φρανκ χρηματοδοτείται εν μέρει από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό.
