Naukowcy zidentyfikowali dwa typy komórek w naszych mózgach, które biorą udział w organizowaniu dyskretnych wspomnień na podstawie czasu ich wystąpienia. To odkrycie pozwala nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób ludzki mózg tworzy wspomnienia i może mieć implikacje w zaburzeniach pamięci, takich jak choroba Alzheimera. Badanie było wspierane przez National Institutes of Health’s Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative (BRAIN) Initiative i zostało opublikowane w Nature Neuroscience.
„Ta praca zmienia sposób, w jaki naukowcy badali sposób myślenia ludzkiego mózgu” – powiedział dr Jim Gnadt, dyrektor programowy w National Institute of Neurological Disorders and Stroke oraz NIH BRAIN Initiative. „Wprowadza do ludzkiej neuronauki podejście stosowane wcześniej u naczelnych i gryzoniach innych niż ludzie, poprzez nagrywanie bezpośrednio z neuronów, które generują myśli”.
To badanie, prowadzone przez dr Ueli Rutishausera, profesora neurochirurgii, neurologii i nauk biomedycznych w Cedars-Sinai Medical Center w Los Angeles, rozpoczęło się od zwodniczo prostego pytania: jak nasz mózg tworzy i porządkuje wspomnienia? Przeżywamy nasze przebudzone życie jako jedno ciągłe doświadczenie, ale na podstawie badań nad ludzkim zachowaniem uważa się, że przechowujemy te wydarzenia życiowe jako indywidualne, odrębne momenty. Co oznacza początek i koniec wspomnienia? Ta teoria jest określana jako „segmentacja zdarzeń” i stosunkowo niewiele wiemy o tym, jak ten proces przebiega w ludzkim mózgu.
Aby to zbadać, Rutishauser i jego koledzy pracowali z 20 pacjentami, którzy przechodzili wewnątrzczaszkową rejestrację aktywności mózgu, aby ukierunkować operację leczenia ich padaczki lekoopornej. Przyjrzeli się, w jaki sposób na aktywność mózgu pacjentów wpływały pokazywane klipy filmowe zawierające różne rodzaje „granic poznawczych” – przejścia, które uważano za wyzwalające zmiany w sposobie przechowywania pamięci i które wyznaczają początek i koniec „plików” pamięci w mózg.
Pierwszy typ, określany jako „miękka granica”, to wideo zawierające scenę, która następnie przechodzi do innej sceny, która kontynuuje tę samą historię. Na przykład rzucany jest mecz baseballowy pokazujący narzut, a kiedy pałkarz uderza piłkę, kamera przełącza się na ujęcie obrońcy wykonującego zagrywkę. W przeciwieństwie do tego „twarda granica” to cięcie do zupełnie innej historii – wyobraź sobie, że po odbitej piłce natychmiast następuje cięcie do reklamy.
Dr Jie Zheng, doktor habilitowany w Szpitalu Dziecięcym w Bostonie i pierwszy autor badania, wyjaśnił kluczową różnicę między tymi dwiema granicami.
„Czy to nowa scena w ramach tej samej historii, czy też oglądamy zupełnie inną historię? To, jak bardzo narracja zmienia się z jednego klipu na drugi, określa rodzaj granicy poznawczej” – powiedział Zheng.
Naukowcy rejestrowali aktywność mózgu uczestników podczas oglądania filmów i zauważyli dwie różne grupy komórek, które reagowały na różne rodzaje granic, zwiększając swoją aktywność. Jedna grupa, zwana „komórkami granicznymi”, stała się bardziej aktywna w odpowiedzi na miękką lub twardą granicę. Druga grupa, określana jako „komórki zdarzeń”, reagowała tylko na twarde granice. Doprowadziło to do powstania teorii, zgodnie z którą tworzenie nowej pamięci następuje, gdy występuje szczyt aktywności komórek granicznych i zdarzeń, co ma miejsce tylko po twardej granicy.
Jedną z analogii do tego, jak wspomnienia mogą być przechowywane i dostępne w mózgu, jest sposób przechowywania zdjęć na telefonie lub komputerze. Często zdjęcia są automatycznie grupowane w wydarzenia na podstawie tego, kiedy i gdzie zostały zrobione, a następnie wyświetlane jako kluczowe zdjęcie z tego wydarzenia. Po dotknięciu lub kliknięciu tego zdjęcia możesz przejść do tego konkretnego wydarzenia.
„Odpowiedź graniczna może być traktowana jak tworzenie nowego wydarzenia fotograficznego” – powiedział dr Rutishauser. „Kiedy budujesz pamięć, to tak, jakby nowe zdjęcia były dodawane do tego wydarzenia. Kiedy pojawia się twarda granica, to wydarzenie jest zamykane i zaczyna się nowe. Można pomyśleć o miękkich granicach reprezentujących nowe obrazy utworzone w ramach jednego wydarzenia. “
Następnie naukowcy przyjrzeli się odzyskiwaniu pamięci i temu, jak ten proces wiąże się z odpalaniem komórek granicznych i zdarzeń. Wysunęli teorię, że mózg używa szczytów granicznych jako znaczników do „przeglądania” przeszłych wspomnień, podobnie jak kluczowe zdjęcia są wykorzystywane do identyfikowania zdarzeń. Kiedy mózg znajdzie schemat działania, który wygląda znajomo, „otwiera” to wydarzenie.
Wykorzystano dwa różne testy pamięci zaprojektowane do badania tej teorii. W pierwszym uczestnikom pokazano serię nieruchomych obrazów i zapytano ich, czy pochodzą ze sceny z klipów filmowych, które właśnie obejrzeli. Uczestnicy badania częściej zapamiętywali obrazy, które pojawiły się wkrótce po twardej lub miękkiej granicy, czyli wtedy, gdy powstałoby nowe „zdjęcie” lub „wydarzenie”.
Drugi test polegał na pokazaniu par obrazów pobranych z klipów filmowych, które właśnie obejrzeli. Uczestników zapytano następnie, który z dwóch obrazów pojawił się jako pierwszy. Okazało się, że znacznie trudniej było im wybrać właściwy obraz, jeśli obaj znajdowali się po różnych stronach twardej granicy, być może dlatego, że zostali umieszczeni w różnych „wydarzeniach”.
Odkrycia te dają wgląd w to, jak ludzki mózg tworzy, przechowuje i uzyskuje dostęp do wspomnień. Ponieważ segmentacja zdarzeń jest procesem, na który można wpływać u osób żyjących z zaburzeniami pamięci, te spostrzeżenia można zastosować przy opracowywaniu nowych terapii.
W przyszłości dr Rutishauser i jego zespół planują przyjrzeć się dwóm możliwym sposobom opracowania terapii związanych z tymi odkryciami. Po pierwsze, neurony, które wykorzystują chemiczną dopaminę, najbardziej znaną ze swojej roli w mechanizmach nagrody, mogą być aktywowane przez komórki graniczne i zdarzenia, co sugeruje możliwy cel, który pomoże wzmocnić tworzenie wspomnień.
Po drugie, jeden z normalnych rytmów wewnętrznych mózgu, znany jako rytm theta, jest powiązany z uczeniem się i pamięcią. Jeśli komórki zdarzenia odpalały się w tym rytmie, uczestnikom łatwiej było zapamiętać kolejność pokazywanych im obrazów. Ponieważ głęboka stymulacja mózgu może wpływać na rytmy theta, może to być kolejna droga leczenia pacjentów z pewnymi zaburzeniami pamięci.
Projekt ten był możliwy dzięki wieloinstytucjonalnemu konsorcjum w ramach programu Badań nad Ludźmi Inicjatywy NIH BRAIN. Instytucje zaangażowane w to badanie to Cedars-Sinai Medical Center, Children’s Hospital Boston (ośrodek PI Gabriel Kreiman, dr) i Toronto Western Hospital (ośrodek PI Taufik Valiante, dr n. med.). Badanie zostało sfinansowane przez NIH BRAIN Initiative (NS103792, NS117839), National Science Foundation i Brain Canada.