Hoe technologie ons herinneringen kan laten zien en manipuleren

Optogenetica en geavanceerde beeldvorming hebben neurowetenschappers geholpen te begrijpen hoe herinneringen zich vormen en hebben het mogelijk gemaakt deze te manipuleren.

door

• Joshua Sarinana archiefpagina

25 augustus 2021

Er zijn 86 miljard neuronen in het menselijk brein, elk met duizenden verbindingen, die aanleiding geven tot honderden biljoenen synapsen. Synapsen - de verbindingspunten tussen neuronen - slaan herinneringen op. Het overweldigende aantal neuronen en synapsen in onze hersenen maakt het vinden van de precieze locatie van een specifieke herinnering een formidabele wetenschappelijke uitdaging.

Uitzoeken hoe herinneringen worden gevormd, kan ons uiteindelijk helpen meer over onszelf te leren en onze mentale scherpte intact te houden. Geheugen helpt onze identiteit vorm te geven, en geheugenstoornissen kunnen wijzen op een hersenstoornis. De ziekte van Alzheimer berooft individuen van hun herinneringen door synapsen te vernietigen; verslaving kaapt de leer- en geheugencentra van de hersenen; en sommige psychische aandoeningen, zoals depressie, zijn geassocieerd met geheugenstoornissen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2021

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

In veel opzichten heeft de neurowetenschap de aard van herinneringen onthuld, maar het heeft ook het idee van wat herinneringen zijn op zijn kop gezet. De vijf onderstaande vragen vertellen hoeveel we hebben geleerd en welke mysteries er nog zijn.

Kunnen we herinneringen in de hersenen zien?

Neurowetenschappers observeren al tientallen jaren de basisstructuur van herinneringen in de hersenen. Maar pas sinds kort konden ze de blijvende fysieke representatie van een herinnering zien, die een geheugenengram wordt genoemd. Een engram wordt opgeslagen in een netwerk van verbonden neuronen en neuronen die het engram bevatten kan worden gemaakt om te gloeien zodat ze zichtbaar zijn door speciale microscopen.

Tegenwoordig kunnen neurowetenschappers geheugen-engrammen manipuleren door hun onderliggende netwerken kunstmatig te activeren en nieuwe informatie in te voegen. Deze technieken werpen ook licht op hoe verschillende soorten geheugen werken en waar elk in de hersenen wordt vastgelegd.

Episodisch autobiografisch geheugen gaat over wat er is gebeurd, waar en wanneer. Het vertrouwt op de hippocampus, een zeepaardvormige structuur. Procedurele herinneringen, ondersteund door de basale ganglia, laten ons herinneren hoe we gewoontegedrag zoals fietsen kunnen uitvoeren. Deze regio werkt niet goed bij mensen met een verslaving. Ons vermogen om feiten op te roepen, zoals hoofdsteden, is te danken aan het semantisch geheugen, dat is opgeslagen in de cortex.

Welke tools laten ons herinneringen zien?

Aan het einde van de 19e eeuw maakten tafelmicroscopen het mogelijk om individuele neuronen te identificeren, waardoor wetenschappers verbluffend gedetailleerde representaties van de hersenen konden maken. Tegen het midden van de 20e eeuw konden krachtige elektronenmicroscopen synaptische structuren tonen van slechts tientallen nanometers breed (ongeveer de breedte van een virusdeeltje). Aan het begin van de 21e eeuw, neurowetenschappers gebruikten twee-fotonenmicroscopen om synapsen te zien ontstaan in realtime terwijl muizen leerden.

Ongelooflijke vooruitgang in de genetica heeft het ook mogelijk gemaakt om genen in en uit de hersenen te wisselen om ze te koppelen aan de geheugenfunctie. Wetenschappers hebben virussen gebruikt om een ​​groen fluorescerend eiwit dat in kwallen voorkomt, in muizenhersenen in te brengen, waardoor neuronen oplichten tijdens het leren. Ze hebben ook een algeneiwit genaamd channelrhodopsin (ChR2) gebruikt om neuronen kunstmatig te activeren. Het eiwit is gevoelig voor blauw licht, dus wanneer het in neuronen wordt ingebracht, kunnen de neuronen worden in- en uitgeschakeld met een blauwe laser - een techniek die optogenetica wordt genoemd. Met deze technologie, die bijna twee decennia geleden werd ontwikkeld door onderzoekers van Stanford, kunnen neurowetenschappers geheugen-engramcellen kunstmatig activeren in proefdieren.

Nieuwe technieken maken het ook mogelijk om te bestuderen hoe zenuwimpulsen informatie van buitenaf vertalen naar onze innerlijke werelden. Om dit proces in de hersenen te bekijken, gebruiken neurowetenschappers kleine elektroden om de impulsen te registreren, die slechts enkele milliseconden duren. Analytische hulpmiddelen zoals neurale decoderingsalgoritmen kan dan ruis verwijderen om patronen te onthullen die wijzen op een geheugencentrum in de hersenen. Met open-source softwarekits kunnen meer neurowetenschappelijke laboratoria dergelijk onderzoek uitvoeren.

Wat vertellen deze tools ons over hoe herinneringen worden gemaakt en opgeslagen?

Hoe neuronen onderdeel worden van een geheugen-engram bleef tot voor kort een mysterie. Toen neurowetenschappers beter keken, waren ze verrast om te zien dat neuronen met elkaar wedijveren om herinneringen op te slaan. Door genen in de hersenen in te voegen om de prikkelbaarheid van neuronen te vergroten of te verkleinen, ontdekten de onderzoekers dat de meest opgewonden neuronen in het gebied deel gaan uitmaken van het engram. Deze neuronen zullen ook actief voorkomen dat hun buren voor een korte periode deel gaan uitmaken van een ander engram. Deze competitie helpt waarschijnlijk bij het vormen van herinneringen en laat zien dat waar herinneringen in de hersenen worden toegewezen, niet willekeurig is.

Verwant verhaal

Waarom voel je je eenzaam? De neurowetenschap begint antwoorden te vinden. De jacht van een neurowetenschapper op eenzaamheid kan ons helpen de kosten van sociaal isolement beter te begrijpen.

In andere experimenten ontdekten onderzoekers dat neurale netwerken vergeten herinneringen vasthouden. Muizen die zijn geïnjecteerd met een cocktail van eiwitremmers, ontwikkelen geheugenverlies en vergeten waarschijnlijk informatie omdat hun synapsen wegkwijnen. Maar de onderzoekers ontdekten dat deze herinneringen niet voor altijd verloren waren - de neuronen bevatten nog steeds de informatie, hoewel deze zonder synapsen niet kon worden opgehaald (althans niet zonder optogenetische stimulatie). Muizen met de ziekte van Alzheimer vertoonden vergelijkbaar geheugenverlies.

Een andere bevinding heeft te maken met hoe dromen onze herinneringen versterkt. Neurowetenschappers hadden lang gedacht dat wanneer de ervaringen van de dag zich tijdens de slaap afspeelden in de vorm van zenuwimpulsen, die herinneringen langzaam uit de hippocampus en naar de cortex werden overgebracht, zodat de hersenen informatie konden extraheren om regels over de wereld te creëren. Ze wisten ook dat sommige regels sneller door de cortex werden gesynthetiseerd, maar bestaande modellen konden niet verklaren hoe dit gebeurde. Onlangs hebben onderzoekers echter optogenetische hulpmiddelen in dierstudies gebruikt om aan te tonen dat de hippocampus ook werkt om deze snel vormende corticale herinneringen vast te stellen.

De hippocampus helpt om snel onrijpe geheugen-engrammen in de cortex te creëren, zegt Takashi Kitamura , een assistent-professor aan het Southwestern Medical Center van de Universiteit van Texas. De hippocampus leert nog steeds de cortex, maar zonder optogenetische hulpmiddelen hadden we de onrijpe engrammen misschien niet waargenomen.

Zijn herinneringen te manipuleren?

Herinneringen zijn niet zo stabiel als ze misschien voelen . Door hun aard moeten ze vatbaar zijn voor verandering, anders zou leren onmogelijk zijn.

Bijna tien jaar geleden hebben MIT-onderzoekers muizen genetisch veranderd, zodat wanneer hun neuronen actief waren tijdens het leren, deze activiteit het ChR2-gen aanzette, dat was vastgemaakt aan een groen fluorescerend eiwit. Door te zien welke neuronen fluoresceerden, konden neurowetenschappers identificeren welke betrokken waren bij het leren. En ze zouden specifieke herinneringen kunnen reactiveren door licht te laten schijnen op de ChR2-genen die met die neuronen zijn geassocieerd.

Met dit vermogen hebben de MIT-onderzoekers een valse herinnering in de muizenhersenen ingebracht. Eerst plaatsten ze de muizen in een driehoekige doos, die specifieke ChR2-genen en neuronen activeerde. Daarna stopten ze de muizen in een vierkante doos en gaven ze schokken aan hun voeten terwijl ze een licht schenen op de ChR2-neuronen die met de eerste omgeving waren geassocieerd.

Uiteindelijk associeerden de muizen de herinnering aan de driehoekige doos met de schokken, ook al waren ze alleen geschokt in de vierkante doos. De dieren waren bang voor een omgeving waarin technisch gezien nooit iets 'slechts' gebeurde, zegt Steve Ramirez , een co-auteur van de studie die nu een assistent-professor neurowetenschappen is aan de Boston University.

Het is niet haalbaar om dergelijke technieken met glasvezelkabels en lasers te gebruiken om op het menselijk brein te experimenteren, maar de resultaten op de hersenen van muizen suggereren hoe gemakkelijk herinneringen kunnen worden gemanipuleerd.

Kunnen we herinneringen buiten de hersenen zien?

Menselijke herinneringen kunnen visueel worden gereconstrueerd met behulp van hersenscanners . In onderzoek uitgevoerd door Brice Kuhl , die nu een assistent-professor cognitieve neurowetenschappen is aan de Universiteit van Oregon, kregen mensen afbeeldingen om te bekijken en werden hun hersenen gescand met een MRI-machine om te meten welke regio's actief waren. Vervolgens werd een algoritme getraind om te raden wat de persoon aan het bekijken was en op basis van deze activiteit een afbeelding te reconstrueren. Het algoritme reconstrueerde ook beelden van deelnemers die werden gevraagd om een ​​van de beelden die ze bekeken in hun gedachten vast te houden.

Er is veel ruimte voor verbetering in deze gereconstrueerde afbeeldingen, maar dit werk toonde aan dat neuroimaging- en reconstructie-algoritmen inderdaad de inhoud van menselijke herinneringen kunnen laten zien zodat anderen ze kunnen zien.

Technologie heeft neurowetenschappers in staat gesteld om in de hersenen te kijken en de kleine gloeiende sporen van het geheugen te zien. Maar de ontdekking dat ervaringen en kennis kunnen worden geïmplanteerd of geëxternaliseerd, heeft het geheugen ook een andere betekenis gegeven. Wat betekent dit voor ons gevoel van wie we zijn?

Joshua Sarinana is een neurowetenschapper, schrijver en kunstfotograaf.