Ψυχικά άλματα με αποτέλεσμα το Memory’s Ripples

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι ερευνητές έχουν εργαστεί για να αποκαλύψουν τις λεπτομέρειες του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος οργανώνει τις αναμνήσεις. Πολλά παραμένουν ένα μυστήριο, αλλά οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει ένα βασικό γεγονός:τον σχηματισμό ενός έντονου εγκεφαλικού κύματος που ονομάζεται «κυμματισμός απότομου κύματος» (SWR). Αυτή η διαδικασία είναι η εκδοχή του εγκεφάλου μιας στιγμιαίας επανάληψης - μια επιταχυνόμενη έκδοση της νευρικής δραστηριότητας που συνέβη κατά τη διάρκεια μιας πρόσφατης εμπειρίας. Αυτοί οι κυματισμοί είναι μια εντυπωσιακά σύγχρονη νευρική συμφωνία, το προϊόν δεκάδων χιλιάδων κυττάρων που πυροδοτούνται σε μόλις 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Οποιαδήποτε περισσότερη δραστηριότητα από αυτήν θα μπορούσε να προκαλέσει κρίση.

Τώρα οι ερευνητές έχουν αρχίσει να συνειδητοποιούν ότι τα SWR μπορεί να εμπλέκονται σε πολύ περισσότερα από το σχηματισμό μνήμης. Πρόσφατα, μια σειρά από μελέτες υψηλού προφίλ σε τρωκτικά έχουν προτείνει ότι ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί SWR για να προβλέψει μελλοντικά γεγονότα. Ένα πρόσφατο πείραμα, για παράδειγμα, διαπιστώνει ότι τα SWR συνδέονται με δραστηριότητα στον προμετωπιαίο φλοιό, μια περιοχή στο μπροστινό μέρος του εγκεφάλου που εμπλέκεται στον σχεδιασμό για το μέλλον.

Μελέτες όπως αυτή έχουν αρχίσει να φωτίζουν την περίπλοκη σχέση μεταξύ της μνήμης και της διαδικασίας λήψης αποφάσεων. Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, οι περισσότερες μελέτες για τα SWR επικεντρώνονταν μόνο στο ρόλο τους στη δημιουργία και την εδραίωση αναμνήσεων, δήλωσε η Λόρεν Φρανκ, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο. «Κανένας από αυτούς δεν ασχολήθηκε πραγματικά με αυτό το θέμα:Πώς πραγματικά το ζώο τραβάει ξανά [τη μνήμη]; Πώς πραγματικά το χρησιμοποιεί αυτό για να καταλάβει τι πρέπει να κάνει;»

Τα νέα αποτελέσματα προκαλούν επίσης μια ευρεία αλλαγή στην κατανόησή μας για τον ιππόκαμπο, έναν εγκεφαλικό ιστό σε σχήμα C πίσω από κάθε αυτί. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1950, όταν η περιοχή ήταν περίφημα συνδεδεμένη με την απώλεια μνήμης στον ασθενή που είναι γνωστός ως H.M., οι ερευνητές έχουν επικεντρωθεί στον ρόλο της στη δημιουργία και την αποθήκευση αναμνήσεων. Αλλά νεότερες μελέτες έχουν δείξει ότι ο ιππόκαμπος είναι ενεργός όταν οι άνθρωποι φαντάζονται να εκτελούν μια εργασία στο μέλλον. Ομοίως, οι άνθρωποι που έχουν υποστεί βλάβη στον ιππόκαμπο δεν μπορούν να φανταστούν νέες εμπειρίες. Ο ιππόκαμπος δεν επιτρέπει μόνο στιγμιαίες επαναλήψεις - ένα είδος νοητικού ταξιδιού στο χρόνο στο παρελθόν - μας βοηθά επίσης να πηδήξουμε διανοητικά προς τα εμπρός.

Στην πραγματικότητα, ο πολύπλοκος σχεδιασμός μπορεί να είναι το πραγματικό όφελος του ιππόκαμπου. «Αυτό είναι το νόημα του να έχεις μνήμη, σωστά;» είπε ο Φρανκ. "Για να επιστρέψετε στις εμπειρίες που είχατε, εξάγετε γενικές αρχές από αυτές και, στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε αυτές τις αρχές για να καταλάβετε τι να κάνετε στη συνέχεια."

A Symphony of Memory

Ο νευροεπιστήμονας του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης György (Yuri) Buzsáki θυμάται ακόμα την ημέρα, κάπου στο 1982, όταν άκουσε για πρώτη φορά τον χαρακτηριστικό ήχο της στιγμιαίας επανάληψης του εγκεφάλου. Ήταν μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο του Δυτικού Οντάριο στον Καναδά εκείνη την εποχή, ένας νεαρός ερευνητής που προσπαθούσε να μάθει πώς να καταγράφει τα μαλακά ping μεμονωμένων νευρώνων.

Καθώς εισήγαγε ένα ηλεκτρόδιο μέσα από στρώματα σε στρώματα του ιστού του εγκεφάλου ενός αρουραίου, ένα συνδεδεμένο ηχείο εξέπεμπε διακοπτόμενους νευρωνικούς θορύβους. Ξαφνικά, καθώς το σύρμα χτύπησε στο κάτω μέρος του ιππόκαμπου, το ηχείο ζωντάνεψε με μια συντριβή chhhhh ήχος. Εξαφανίστηκε μέσα σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, αλλά ο Buzsáki ήταν άναυδος. «Δεν ήξερα τι να κάνω με αυτό», θυμάται. Ήταν σαν να άκουγε μια ομάδα μουσικών της ορχήστρας να κουρδίζουν άπραγα τα όργανά τους και την επόμενη στιγμή ενώθηκαν απότομα στις συναρπαστικές αρμονίες της 5ης Συμφωνίας του Μπετόβεν. «Ήταν το πιο σύγχρονο μοτίβο που είχα δει ποτέ», είπε.

Το 1989, ο Buzsáki δημοσίευσε μια θεμελιώδη εργασία που πρότεινε ότι ο σκοπός των εγκεφαλικών κυμάτων SWR στον ιππόκαμπο είναι να βοηθήσουν στην οργάνωση και την εδραίωση των αναμνήσεων. Περιέγραψε ένα μοντέλο μνήμης δύο σταδίων. Στο πρώτο στάδιο, που ονομάζεται ενεργητική μάθηση, τα κύτταρα σε διαφορετικά μέρη του φλοιού - τα εξωτερικά στρώματα του εγκεφάλου - μεταδίδουν σήματα που αντιπροσωπεύουν αισθητηριακές πληροφορίες, όπως το τρίξιμο ενός γλάρου ή τη μυρωδιά του σερφ.

Στο δεύτερο στάδιο της μνήμης του Buzsáki, το στάδιο ενοποίησης, ο ιππόκαμπος λαμβάνει αυτά τα ανόμοια μοτίβα πυροδότησης και τα συνθέτει σε ένα ενιαίο SWR. Το SWR κωδικοποιεί τη μνήμη, αποθηκεύοντάς την σε κάποιο άλλο μέρος του εγκεφάλου για μελλοντική ανάκτηση. Ακριβώς όπως μια καταχώρηση στο ευρετήριο ενός βιβλίου παραθέτει όλες τις σελίδες που αναφέρουν μια συγκεκριμένη λέξη, ένα SWR φαίνεται να παρέχει έναν ξεχωριστό κωδικό που θυμίζει στον υπόλοιπο εγκέφαλο ένα συγκεκριμένο παρελθόν. «Τον ονομάζουμε κωδικό ευρετηρίου», είπε ο Bruce McNaughton, νευροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Irvine και στο Πανεπιστήμιο του Lethbridge στον Καναδά. Με τους μοναδικούς κωδικούς τους, τα SWR μας επιτρέπουν να αποθηκεύουμε μια συνεκτική μνήμη που έχει συναρμολογηθεί από μια διαφορετική σειρά αισθητηριακών εισόδων.

Το 1994, ο McNaughton και ο συνάδελφός του Matthew Wilson, τώρα νευροεπιστήμονας στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, δημοσίευσαν μια εργασία στο Science παρέχοντας την πρώτη άμεση απόδειξη για τη θεωρία εμπέδωσης της μνήμης. Οι επιστήμονες γνώριζαν ήδη ότι τα SWR εμφανίζονται μόνο όταν τα ζώα κοιμούνται, υπό αναισθησία ή σε περίοδο ακινησίας. Γνώριζαν επίσης ότι οι νευρώνες πυροδοτούν με ένα συγκεκριμένο μοτίβο όταν τα ζώα περνούν μέσα από έναν απλό λαβύρινθο. Οι McNaughton και Wilson εισήγαγαν μεγάλες σειρές ηλεκτροδίων στον εγκέφαλο των αρουραίων και παρακολούθησαν αυτά τα μοτίβα. Βρήκαν ότι τα συγκεκριμένα νευρικά μοτίβα που παράγουν οι αρουραίοι ενώ τρέχουν μέσα από έναν λαβύρινθο θα επαναληφθούν αργότερα ως SWR. Αυτή η επανάληψη των εμπειριών κατά τη διάρκεια του ύπνου, υπέθεσαν οι ερευνητές, ήταν κατά κάποιο τρόπο μέρος του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος μετέφερε αναμνήσεις από τον ιππόκαμπο σε μακροπρόθεσμη αποθήκευση στον φλοιό.

Τις επόμενες δύο δεκαετίες, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα SWR είναι ένα κρίσιμο συστατικό για την εδραίωση της μνήμης, και όχι μόνο κατά τη διάρκεια του ύπνου. Το 2006 ο Wilson και ο μεταδιδακτορικός του ερευνητής Ντέιβιντ Φόστερ ανέφεραν στο Nature ότι η ακολουθία της εγκεφαλικής δραστηριότητας που εκτοξεύτηκε όταν ένας αρουραίος ακολουθούσε μια ευθεία διαδρομή επαναλαμβανόταν επίσης με ακριβή σειρά κατά τις περιόδους ανάπαυσης αμέσως μετά. Περιέργως, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το μοτίβο ενεργοποιήθηκε αντίστροφα — ο αρουραίος εξέτασε πρώτα τις πιο πρόσφατες εμπειρίες του, ίσως επειδή αυτές οι αναμνήσεις ήταν οι πιο χρήσιμες για το ζώο στην τρέχουσα κατάστασή του.

Το δέντρο αποφάσεων

Τα τελευταία χρόνια, πολλές ερευνητικές ομάδες έχουν διερευνήσει πώς τα ζώα χρησιμοποιούν αυτές τις στιγμιαίες επαναλήψεις για να καθοδηγήσουν τη συμπεριφορά. Η ομάδα της Λόρεν Φρανκ έχει σκάψει σε αυτό το ερώτημα εκπαιδεύοντας αρουραίους να τρέχουν σε μεταλλικές πίστες σε σχήμα E περιστράφηκε 90 μοίρες. Τα ζώα ανταμείβονται όταν ακολουθούν ένα συγκεκριμένο μοτίβο:από το μεσαίο χέρι στο αριστερό χέρι, μετά πίσω στη μέση, μετά στο δεξί μπράτσο και πίσω στη μέση και ούτω καθεξής. Για να γίνει αυτό με επιτυχία, πρέπει να μάθουν δύο κανόνες. Το πρώτο είναι εύκολο:Αν είμαι στο εξωτερικό μπράτσο, πήγαινε στη μέση. Ο δεύτερος κανόνας θέλει περισσότερη σκέψη:Εάν είμαι στο μεσαίο χέρι, πηγαίνετε στον εξωτερικό βραχίονα από τον οποίο δεν προήλθα απλώς.

Όταν οι αρουραίοι σταματούν στο μεσαίο χέρι, οι ιππόκαμποι τους εκτοξεύουν SWR, και αυτοί οι κωδικοί αντιπροσωπεύουν τα μονοπάτια που μόλις πήρε το ζώο στον λαβύρινθο. Είναι σαν το ζώο να σταματάει να σκεφτεί:Από πού ήρθα μόλις; Πού πρέπει να πάω μετά;

Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Science το 2012, ο Frank και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι αυτά τα SWR αποδείχτηκαν απαραίτητα για την εκμάθηση της εργασίας. Όταν οι ερευνητές εξαφάνισαν τα SWR με ηλεκτρική διέγερση, οι αρουραίοι δεν μπορούσαν πλέον να μάθουν το εναλλασσόμενο σχέδιο λαβύρινθου. Έμαθαν το πρώτο βήμα - να βγουν και να επιστρέψουν - αλλά όχι το δεύτερο. Ο Frank θεωρεί ότι τα SWR ενσωματώνουν τις άμεσες προηγούμενες πληροφορίες ενός αρουραίου - αυτό που μόλις έκανε - με αυτό που πρέπει να κάνει στη συνέχεια.

Ορισμένοι νευροεπιστήμονες, ωστόσο, δεν είναι έτοιμοι να πουν ότι τα SWR εμπλέκονται στενά στο σχεδιασμό, τη λήψη αποφάσεων και άλλες σύνθετες συμπεριφορές που βασίζονται στη συντονισμένη δραστηριότητα πολλών περιοχών του εγκεφάλου. Ο Buzsáki, παραδόξως, είναι ένας από τους σκεπτικιστές, που πιστεύει ότι τα SWR περιορίζονται στην ενοποίηση μνήμης. «Λατρεύω τα αιχμηρά κύματα και προσπαθώ να προωθήσω αυτές τις [μελέτες] όσο το δυνατόν περισσότερο», είπε. "Αλλά είμαι λίγο προσεκτικός."

Επισημαίνει ότι τα SWR διαρκούν μόνο για μικρό χρονικό διάστημα, περίπου 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου. «Είναι πολύ σύντομο για να διεγείρει ολόκληρο τον εγκέφαλο», είπε, επικαλούμενος μελέτες που δείχνουν ότι η πράξη λήψης μιας συνειδητής απόφασης απαιτεί τουλάχιστον 500 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Επιπλέον, τα SWR εμφανίζονται συχνά όταν δεν λαμβάνονται αποφάσεις. «Αν σχετίζονταν με τη λήψη αποφάσεων, τότε θα περίμενες να συμβούν όταν είσαι σε πλήρη εγρήγορση, όχι όταν κοιμάσαι μισό», είπε.

Σύνδεση μεγάλων αποστάσεων

Εάν τα SWR εμπλέκονται πραγματικά στον σχεδιασμό και τη λήψη αποφάσεων, τότε πρέπει με κάποιο τρόπο να επικοινωνούν με περιοχές του εγκεφάλου έξω από τον ιππόκαμπο. «Η πρώτη ερώτηση είναι, ενδιαφέρεται ο υπόλοιπος εγκέφαλος;» ρώτησε ο Φρανκ. Σύμφωνα με την τελευταία του μελέτη, το κάνει. "Ο υπόλοιπος εγκέφαλος νοιάζεται, και νοιάζεται πολύ."

Σε αυτή τη μελέτη, η ομάδα του Frank χρησιμοποίησε ξανά την τροχιά των τριών χεριών, αλλά αυτή τη φορά οι ερευνητές κατέγραψαν την ανταπόκριση από τους νευρώνες στον προμετωπιαίο φλοιό ενός αρουραίου, την περιοχή που σχετίζεται με τον σχεδιασμό για το μέλλον, την ακριβή στιγμή που ο ιππόκαμπος του ζώου έστελνε έξω. SWR. Ο Frank διαπίστωσε ότι οι κωδικοί SWR συγχρονίζονται έντονα με τα μοτίβα πυροδότησης στον προμετωπιαίο φλοιό.

Κατά τη διάρκεια ενός SWR, περίπου το ένα τρίτο των νευρώνων στον προμετωπιαίο φλοιό αλλάζουν τη δραστηριότητα πυροδότησης τους, διαπίστωσε. Αυτή η μελέτη, την οποία ο Frank παρουσίασε τον Ιούνιο στο συνέδριο Areadne στη Σαντορίνη, είναι η πρώτη που ανακάλυψε μια τόσο στενή, συντονισμένη σύνδεση μεταξύ των SWR και του προμετωπιαίου φλοιού ενώ ένα ζώο είναι ξύπνιο, είπε ο Frank. "Φαίνεται ότι υπάρχει ένας πολύ ισχυρός τρόπος επικοινωνίας μεταξύ του ιππόκαμπου και αυτής της προμετωπιαίας περιοχής του εγκεφάλου, η οποία είναι πολύ μακριά."

Ο Buzsáki είναι ενθουσιασμένος με τα στοιχεία αλληλεπιδράσεων μεταξύ του ιππόκαμπου και του υπόλοιπου εγκεφάλου. Αναφέρει μια μελέτη Nature του 2012 στην οποία οι ερευνητές σάρωσαν τους εγκεφάλους πιθήκων υπό αναισθησία και έδειξαν ότι τα SWRs φαίνεται να ενεργοποιούν το μεγαλύτερο μέρος του φλοιού ενώ ταυτόχρονα σωπαίνουν τις μη φλοιώδεις περιοχές.

«Αυτό που παρατήρησαν είναι πολύ αξιοσημείωτο», είπε ο Buzsáki. "Ο ιππόκαμπος μπορεί να φτάσει σε ευρείες περιοχές του φλοιού."

Όταν διατύπωσε για πρώτη φορά τη θεωρία του ότι τα SWR εμπλέκονται στην εδραίωση της μνήμης, ο Buzsáki σκέφτηκε ότι αυτές οι αλληλεπιδράσεις ήταν κάπως μονής κατεύθυνσης, με τον φλοιό να στέλνει μηνύματα στον ιππόκαμπο κατά τη διάρκεια της μάθησης και τον ιππόκαμπο να στέλνει μηνύματα στον φλοιό κατά τη διάρκεια της εμπέδωσης της μνήμης. Τώρα όμως υποπτεύεται ότι η επικοινωνία μεταξύ του φλοιού και του ιππόκαμπου είναι πολυεπίπεδη. "Τα πράγματα είναι πιο δύσκολα τώρα και πιο όμορφα", είπε.