Kde mozek ukládá vzpomínky?

Don Arnold je profesorem biologických věd a biomedicínských věd na USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences. Tento příběh původně vystupoval na Konverzace.

Všechna paměťová zařízení, od vašeho mozku po RAM ve vašem počítači, ukládají informace změnou svých fyzických vlastností. Před více než 130 lety průkopnický neurolog Santiago Ramón y Cajal poprvé navrhl, že mozek ukládá informace přeskupováním spojení neboli synapsí mezi neurony.

Od té doby se neurovědci pokoušeli pochopit fyzické změny spojené s tvorbou paměti. Ale vizualizace a mapování synapsí je náročné. Za prvé, synapse jsou velmi malé a těsně pohromadě. Jsou zhruba 10 miliardkrát menší než nejmenší objekt, který může standardní klinická MRI zobrazit. Kromě toho existuje přibližně 1 miliarda synapsí v mozcích myší, které výzkumníci často používají ke studiu mozkových funkcí, a všechny mají stejnou neprůhlednou až průsvitnou barvu jako tkáň, která je obklopuje.

Nová zobrazovací technika, kterou jsme s kolegy vyvinuli, nám však umožnila mapovat synapse během vytváření paměti. Zjistili jsme, že proces utváření nových vzpomínek mění vzájemné propojení mozkových buněk. Zatímco některé oblasti mozku vytvářejí více spojení, jiné je ztrácejí.

Mapování nových vzpomínek v rybách

Dříve se výzkumníci zaměřovali na záznam elektrických signálů produkovaných neurony. I když tyto studie potvrdily, že neurony po vytvoření paměti mění svou reakci na konkrétní podněty, nedokázaly přesně určit, co tyto změny pohání.

Abychom studovali, jak se mozek fyzicky mění, když tvoří novou paměť, vytvořili jsme 3D mapy synapsí zebřičky před a po vytvoření paměti. Vybrali jsme zebrafish jako naše testovací subjekty, protože jsou dostatečně velké na to, aby měly mozky, které fungují jako lidé, ale jsou dostatečně malé a průhledné, aby nabízely okno do živého mozku.

K vyvolání nové paměti u ryb jsme použili typ procesu učení zvaného klasické podmiňování. To zahrnuje vystavení zvířete dvěma různým typům podnětů současně: neutrálnímu, který nevyvolá reakci, a nepříjemnému, kterému se zvíře snaží vyhnout. Když jsou tyto dva podněty dostatečně často spárovány, zvíře reaguje na neutrální podnět, jako by to byl nepříjemný podnět, což naznačuje, že si vytvořilo asociativní paměť spojující tyto podněty dohromady.

Jako nepříjemný podnět jsme rybě jemně nahřáli hlavu infračerveným laserem. Když ryba švihla ocasem, brali jsme to jako znamení, že chce utéct. Když je pak ryba vystavena neutrálnímu podnětu, rozsvícení světla a švihání ocasem znamenalo, že si vybavuje, co se stalo, když se předtím setkala s nepříjemným podnětem.

Abychom vytvořili mapy, geneticky jsme vytvořili zebřičky s neurony, které produkují fluorescenční proteiny, které se vážou na synapse a činí je viditelnými. Poté jsme zobrazili synapse pomocí na zakázku vyrobeného mikroskopu, který používá mnohem nižší dávku laserového světla než standardní zařízení, která pro generování obrázků také používají fluorescenci. Protože náš mikroskop způsobil menší poškození neuronů, byli jsme schopni zobrazit synapse bez ztráty jejich struktury a funkce.

Když jsme porovnali 3D mapy synapsí před a po vytvoření paměti, zjistili jsme, že neurony v jedné oblasti mozku, anterolaterální dorzální pallium, vyvinuly nové synapse, zatímco neurony převážně v druhé oblasti, anteromediální dorzální pallium, ztratily synapse. To znamenalo, že se nové neurony spárovaly, zatímco jiné zničily jejich spojení. Předchozí experimenty naznačovaly, že dorzální pallium ryb může být analogické s amygdalou savců, kde jsou uloženy vzpomínky na strach.

Překvapivě byly změny v síle existujících spojení mezi neurony, ke kterým došlo s tvorbou paměti, malé a nerozeznatelné od změn u kontrolních ryb, které nevytvářely nové vzpomínky. To znamenalo, že vytváření asociativní paměti zahrnuje tvorbu a ztrátu synapsí, ale ne nutně změny v síle existujících synapsí, jak se dříve myslelo.

Mohlo by odstranění synapsí odstranit vzpomínky?

Naše nová metoda pozorování funkce mozkových buněk by mohla otevřít dveře nejen k hlubšímu pochopení toho, jak vlastně paměť funguje, ale také k potenciálním způsobům léčby neuropsychiatrických stavů, jako je PTSD a závislost.

Asociativní vzpomínky bývají mnohem silnější než jiné typy vzpomínek, jako jsou vědomé vzpomínky na to, co jste měli včera k obědu. Asociativní vzpomínky vyvolané klasickým podmiňováním jsou navíc považovány za analogické s traumatickými vzpomínkami, které způsobují PTSD. Jinak neškodné podněty podobné těm, které někdo zažil v době traumatu, mohou vyvolat vybavování bolestivých vzpomínek. Například jasné světlo nebo hlasitý zvuk mohou vyvolat vzpomínky na boj. Naše studie odhaluje roli, kterou mohou hrát synaptická spojení v paměti, a mohla by vysvětlit, proč mohou asociativní vzpomínky trvat déle a být zapamatovány živěji než jiné typy vzpomínek.

V současnosti nejběžnější léčba PTSD, expoziční terapie, zahrnuje opakované vystavování pacienta neškodnému, ale spouštěcímu podnětu, aby se potlačila vzpomínka na traumatickou událost. Teoreticky to nepřímo remodeluje synapse mozku, aby byla paměť méně bolestivá. Přestože expoziční terapie zaznamenala určitý úspěch, pacienti jsou náchylní k relapsu. To naznačuje, že základní paměť způsobující traumatickou reakci nebyla odstraněna. https://www.youtube.com/embed/rHg_SlEqJGc?wmode=transparent&start=0 Terapie prodloužené expozice, která je koncepčně spojena s klasickou kondicionací, je jedním ze způsobů léčby PTSD.

Stále není známo, zda generování a ztráta synapse skutečně řídí tvorbu paměti. Moje laboratoř vyvinula technologii, která dokáže rychle a přesně odstranit synapse bez poškození neuronů. Plánujeme použít podobné metody k odstranění synapsí u zebrafish nebo myší, abychom zjistili, zda to změní asociativní paměti.

Těmito metodami by mohlo být možné fyzicky vymazat asociativní vzpomínky, které jsou základem zničujících stavů, jako je PTSD a závislost. Než se však o takovém ošetření vůbec může uvažovat, je třeba přesněji definovat synaptické změny kódující asociativní paměti. A zjevně existují vážné etické a technické překážky, které by bylo třeba řešit. Přesto je lákavé představit si vzdálenou budoucnost, ve které by synaptická chirurgie mohla odstranit špatné vzpomínky.