Το DNA των εγκεφαλικών κυττάρων αναδιπλώνεται για να βοηθήσει την ανάκληση της μνήμης
Πριν από περισσότερο από έναν αιώνα, ο ζωολόγος Richard Semon επινόησε τον όρο "engram" για να προσδιορίσει το φυσικό ίχνος που πρέπει να αφήσει μια μνήμη στον εγκέφαλο, όπως ένα ίχνος. Από τότε, οι νευροεπιστήμονες έχουν σημειώσει πρόοδο στο κυνήγι τους για το πώς ακριβώς οι εγκέφαλοί μας σχηματίζουν αναμνήσεις. Έχουν μάθει ότι συγκεκριμένα εγκεφαλικά κύτταρα ενεργοποιούνται καθώς σχηματίζουμε μια μνήμη και επανενεργοποιούνται καθώς τη θυμόμαστε, ενισχύοντας τις συνδέσεις μεταξύ των εμπλεκόμενων νευρώνων. Αυτή η αλλαγή εδραιώνει τη μνήμη και μας επιτρέπει να κρατάμε αναμνήσεις που ανακαλούμε πιο συχνά, ενώ άλλες ξεθωριάζουν. Αλλά οι ακριβείς φυσικές αλλαγές στους νευρώνες μας που επιφέρουν αυτές τις αλλαγές ήταν δύσκολο να εντοπιστούν — μέχρι τώρα.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε τον περασμένο μήνα, ερευνητές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης παρακολούθησαν ένα σημαντικό μέρος της διαδικασίας δημιουργίας μνήμης σε μοριακή κλίμακα στα χρωμοσώματα των εγγραμμικών κυττάρων. Οι νευροεπιστήμονες γνώριζαν ήδη ότι ο σχηματισμός μνήμης δεν είναι στιγμιαίος και ότι η πράξη της ανάμνησης είναι ζωτικής σημασίας για το κλείδωμα μιας μνήμης στον εγκέφαλο. Αυτοί οι ερευνητές έχουν τώρα ανακαλύψει κάποια από τη φυσική ενσάρκωση αυτού του μηχανισμού.
Η ομάδα του MIT εργάστηκε με ποντίκια που είχαν έναν δείκτη φθορισμού ματισμένο στο γονιδίωμά τους για να κάνουν τα κύτταρά τους να λάμπουν κάθε φορά που εξέφραζαν το γονίδιο Arc , που σχετίζεται με το σχηματισμό μνήμης. Οι επιστήμονες τοποθέτησαν αυτά τα ποντίκια σε μια νέα τοποθεσία και τα εκπαίδευσαν να φοβούνται έναν συγκεκριμένο θόρυβο και στη συνέχεια τα επέστρεψαν σε αυτή τη θέση αρκετές ημέρες αργότερα για να ενεργοποιήσουν ξανά τη μνήμη. Στην περιοχή του εγκεφάλου που ονομάζεται ιππόκαμπος, τα κύτταρα εγγράμματος που σχηματίστηκαν και ανακαλούσαν αυτή τη μνήμη φωτίστηκαν με χρώμα, γεγονός που διευκόλυνε τον διαχωρισμό τους από άλλα εγκεφαλικά κύτταρα κάτω από το μικροσκόπιο κατά τη διάρκεια μιας μεταθανάτιας εξέτασης.
Κοιτάζοντας τους πυρήνες αυτών των εγγραμμάτων κυττάρων, οι ερευνητές εντόπισαν λεπτόκοκκες αλλαγές στην αρχιτεκτονική της χρωματίνης - το σύμπλεγμα του DNA και των ρυθμιστικών πρωτεϊνών που συνθέτουν τα χρωμοσώματα - καθώς η μνήμη διαμορφωνόταν. Μέρη της χρωματίνης αναδιοργανώθηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε τα γονίδια που σχετίζονται με τη μνήμη θα μπορούσαν πιο εύκολα να δράσουν για να ενισχύσουν και να διατηρήσουν μια μνήμη. "Βασικά, ολόκληρη η διαδικασία σχηματισμού μνήμης είναι ένα αρχικό γεγονός", δήλωσε ο Li-Huei Tsai, διευθυντής του Picower Institute for Learning and Memory του MIT και ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.
Προθέρμανση για μια μνήμη
Αυτό το συμπέρασμα δεν ήταν ξεκάθαρο από την αρχή του πειράματος. Αμέσως μετά το σχηματισμό της μνήμης, δεν υπήρχαν τεράστιες διαφορές στον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα εγγράμματος εξέφρασαν τα γονίδιά τους. Αλλά οι ερευνητές παρατήρησαν κάποιες δομικές αλλαγές στη χρωματίνη των κυττάρων:ορισμένες περιοχές του DNA έγιναν πιο προσιτές, μετατοπίζοντας έτσι ώστε οι πρωτεΐνες της χρωματίνης και άλλα τμήματα του DNA να μην τις κάλυπταν. Αυτό έκανε τα γονίδια σε αυτό το DNA πιο προσιτά σε ενισχυτές, γενετικά στοιχεία που μπορούν να αυξήσουν την ενεργοποίηση των γονιδίων.
Λίγες μέρες αργότερα, οι ερευνητές εντόπισαν περισσότερες αλλοιώσεις. Το DNA είχε αναδιαταχθεί περαιτέρω, έτσι ώστε πολλοί από αυτούς τους ενισχυτές να ήταν πιο κοντά στα συγκεκριμένα γονίδια που στόχευαν. Ωστόσο, δεν υπήρξαν ακόμη δραματικές αλλαγές στον τρόπο έκφρασης των γονιδίων. «Ήμουν πραγματικά σε κατάθλιψη εκείνη την εποχή», είπε ο Asaf Marco, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο MIT και επικεφαλής συγγραφέας της έρευνας. "Δεν είχε καθόλου νόημα."
Αλλά όταν τα ποντίκια τοποθετήθηκαν ξανά στο περιβάλλον όπου αρχικά σχημάτισαν αυτή τη μνήμη, ακολούθησε ένα κύμα έκφρασης γονιδίων. Οι δομικές αλλαγές στους ενισχυτές ευθυγραμμίζονται με αυτά τα πρότυπα ενεργοποίησης, οδηγώντας σε ισχυρότερες συνδέσεις μεταξύ των εμπλεκόμενων νευρώνων. Τότε ήταν που ο Μάρκο συνειδητοποίησε ότι οι αρχιτεκτονικές αλλαγές στη χρωματίνη προετοίμαζαν τα κύτταρα να ενισχύσουν τις μνήμες κατά την ανάκλησή τους.
«Είναι σχεδόν σαν να κάνεις προθέρμανση για προπόνηση», εξήγησε ο Steve Ramirez, επίκουρος καθηγητής ψυχολογικών και εγκεφαλικών επιστημών στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης. Καθώς σχηματίζεται μια μνήμη, τα κύτταρα εγγράμματος προετοιμάζονται για να εκφράσουν γονίδια που θα δημιουργήσουν και θα ενισχύσουν τις συνδέσεις μεταξύ τους. Τα κύτταρα μπορούν να επωφεληθούν πλήρως από αυτές τις λανθάνουσες αλλαγές, ωστόσο, μόνο όταν η μνήμη ξαναθυμηθεί. «Είναι έτοιμοι να τρέξουν και να επιτρέψουν τη διαδικασία της ανάμνησης», είπε. "Αυτή η ιδέα είναι πολύ δελεαστική."
Την τελευταία δεκαετία περίπου, αρκετές ομάδες που διεξήγαγαν έρευνα στο engram έχουν αρχίσει να υποψιάζονται ότι οι δομικές αλλαγές στη χρωματίνη πρωταγωνιστούν το κύτταρο για να δημιουργήσει και να διατηρήσει μνήμες. «Όλοι το σκεφτήκαμε, αλλά αυτό είναι ένα πραγματικά φοβερό έγγραφο που το δείχνει πραγματικά», είπε η Ίβα Ζόβκιτς, επίκουρη καθηγήτρια ψυχολογίας στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο. Επιπλέον, η έρευνα της ομάδας MIT εδραίωσε την ιδέα με νέα είδη στοιχείων, διαχωρίζοντας τα στάδια του σχηματισμού μνήμης και της ανάκλησης για να δούμε πότε αυτές οι δομικές αλλαγές παίζουν ρόλο. "Αυτός είναι πραγματικά ένας πολύ πιο άμεσος τρόπος να το δείξουμε από οτιδήποτε έχει γίνει πριν", είπε ο Zovkic.
Νέες τεχνολογίες που μπορούν να αναλύσουν γενετικές και κυτταρικές αλλαγές σε πολύ μικρή κλίμακα έχουν επιφέρει μια αναγέννηση στη νευροεπιστήμη του εγγράμματος τα τελευταία χρόνια, είπε ο Ramirez. Η σύνδεση των μοριακών αλλαγών στα εγκεφαλικά συστήματα με τη συμπεριφορά είναι πρόσφατα δυνατή. «Ένα από τα πιο συναρπαστικά πράγματα σχετικά με αυτό το χαρτί ήταν ότι μεγεθύνεται πραγματικά σε αυτό το πρωτόγνωρο επίπεδο», είπε. "Είναι πραγματικά μαγικό να βλέπεις αυτό το είδος ανάλυσης."
Μελετώντας την Αρχιτεκτονική
Ωστόσο, ακόμη και τα πιο σύγχρονα εργαλεία δεν μπορούν να παρακολουθήσουν τόσο στενά τον σχηματισμό μνήμης σε ζωντανά ζώα, επομένως οι επιστήμονες δεν μπορούν να παρατηρήσουν το σχηματισμό ανθρώπινης μνήμης τόσο στενά. Αυτές οι διαδικασίες μελετήθηκαν σε ποντίκια και τα ανθρώπινα κύτταρα μπορεί να μην ακολουθούν τα ίδια μοτίβα ενώ κωδικοποιούν πιο περίπλοκες και επικαλυπτόμενες μνήμες. «Σε αυτό το στάδιο, είναι πολύ δύσκολο να αξιολογήσουμε πόσα μπορούν να μεταφραστούν στην ανθρώπινη έρευνα», δήλωσε ο Shawn Liu, επίκουρος καθηγητής φυσιολογίας και κυτταρικής βιοφυσικής στο Πανεπιστήμιο Columbia.
Αλλά τα ποντίκια και οι άνθρωποι έχουν κάποια κοινά κυκλώματα μνήμης. Αυτή η μελέτη παρακολούθησε κύτταρα στον ιππόκαμπο, μια καμπύλη δομή κοντά στο κέντρο του εγκεφάλου και στα δύο είδη που είναι ζωτικής σημασίας για τη μάθηση και τη μνήμη. Οι διαφορές μεταξύ της έκδοσης του ιππόκαμπου για τον άνθρωπο και το ποντίκι μετριάζουν τη δυνατότητα εφαρμογής των αποτελεσμάτων της μελέτης, αλλά σε αυτό το νέο υποπεδίο, αποτελούν επιτακτικά σημεία δεδομένων. "Η εκκίνηση ως μοντέλο για την εξήγηση του σχηματισμού μνήμης είναι πολύ ελκυστική", είπε ο Tsai.
Περισσότερα πειράματα όπως αυτό μπορούν να περιορίσουν ποια εγκεφαλικά κύτταρα ακολουθούν αυτά τα μοτίβα και εάν τα μοτίβα είναι τα ίδια για διαφορετικά είδη αναμνήσεων, είπε ο Ramirez - είτε πρόκειται για συναισθηματικές στιγμές, σωματικές δεξιότητες ή οπτικές πληροφορίες που κρατά ο εγκέφαλός σας. Αυτό θα μπορούσε να φέρει στο φως μια ευρύτερη αρχή για το πώς σχηματίζονται οι αναμνήσεις, η οποία θα μπορούσε με τη σειρά της να οδηγεί σε θεραπείες για καταστάσεις όπως η διαταραχή μετατραυματικού στρες ή η νόσος του Αλτσχάιμερ, στις οποίες οι αναμνήσεις είναι πολύ επίμονες ή όχι αρκετά επίμονες. Η κατανόηση σε μοριακό επίπεδο του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος εδραιώνει ορισμένες αναμνήσεις και χάνει άλλες θα μπορούσε να δημιουργήσει ευκαιρίες για να επηρεάσει τη γήρανση, τη μάθηση και άλλες βασικές διαδικασίες.
Υπάρχουν πολλά περισσότερα για να μάθετε για αυτές τις αλλαγές στην αρχιτεκτονική της χρωματίνης. Πολλά είδη περιβαλλοντικών παραγόντων, όπως η διατροφή ή το στρες, μπορούν να αλλάξουν τη διάταξη του DNA και των πρωτεϊνών στη χρωματίνη, με κατάντη επιπτώσεις εάν το DNA εκφράζεται και επηρεάζει τη συμπεριφορά των κυττάρων. Περαιτέρω μελέτες θα μπορούσαν επίσης να εξετάσουν τις άφθονες περιοχές του DNA που δεν κατευθύνουν τη δημιουργία πρωτεϊνών ή έχουν άλλα προφανή αποτελέσματα στον εγκέφαλο.
«Προς το παρόν αγνοούμε το 95% του γονιδιώματος», είπε ο Μάρκο. Του έμαθαν να το αποκαλεί junk DNA. Αλλά όπως και οι ενισχυτές που οδηγούν αυτή την πτυχή της κωδικοποίησης της μνήμης, τα υπόλοιπα από αυτά τα γονίδια μπορεί να αναλάβουν επίσης κρίσιμους ρόλους. "Αν και χαρτογραφήσαμε το γονιδίωμα, εξακολουθούμε να μην καταλαβαίνουμε το μεγαλύτερο μέρος του", είπε.
