Misterna sieć pamięci

Nasze wspomnienia zalezą od umiejętności przypominania sobie szczegółów dotyczących świata – np. twarzy dziecka, gęsi, jeziora. Jednak, aby przekształcić je w prawdziwe doświadczenia, nasz mózg musi w jakiś sposób połączyć te elementy w całość – wyraz twarzy tego dziecka, kiedy widzi stado gęsi nagle wzlatujących z kępy szuwarów nad brzegiem jeziora. Spójność pamięci zależy także od innych czynników. Nasze przeżycie przez tysiące lat zależało od zapamiętywania nie tylko właściwej informacji – na przykład, obrazu lwa lub węza – ale także sytuacji. Czy napotkaliśmy zwierzę nieoczekiwanie, konfrontując się z nim na rozległej, odizolowanej sawannie w Afryce, czy też zwiedzając zoo w San Diego?

Jeśli chcemy uniknąć innych zagrożeń w naszym codziennym zżyciu, również musimy wiązać ze sobą wspomnienia: ocena, czy pozornie atrakcyjna inwestycja jest warta realizacji, zależy od źródła rekomendacji – na przykład rzetelności osoby, która ją zasugerowała. Niepowodzenie w łączeniu wspomnień może mieć katastrofalne konsekwencje.

Neuronaukowcy zaczynają badać, w jaki sposób mózg wiąże ze sobą wspomnienia w czasie i przestrzeni. Dotychczas zdecydowana większość badan koncentrowała się na tym, jak gromadzimy, przechowujemy, przywołujemy i modyfikujemy poszczególne wspomnienia. Jednak większość wspomnień nie istnieje samodzielnie, jako pojedyncze, izolowane byty. Przeciwnie, jedno wspomnienie przywołuje kolejne, tworząc misterne sekwencje, które pomagają nam przewidywać i rozumieć otaczający nas świat.

Podstawowe mechanizmy, jakie wykorzystuje mózg, tworząc te powiązane wspomnienia, zaczynamy już odkrywać – po 20 latach badan w moim i odkrywać innych laboratoriach. Poznanie fizycznych procesów, które są zaangażowane w przeplatanie się pojedynczych wspomnień, da nam więcej niż tylko wiedze na temat tego, jak działa mózg. Może również pomóc zapobiegać zaburzeniom pamięci, które niszczą nasza zdolność do tworzenia i wiązania ze sobą wspomnień.

Szczęśliwy traf

Kiedy pod koniec lat 90. zaczynaliśmy swoje badania nad wiązaniem wspomnień, nie mieliśmy narzędzi ani podstawowej wiedzy, potrzebnej do zmierzenia się z tym tematem. Kluczowym krokiem na drodze do określenia, w jaki sposób wspomnienia się ze sobą splatają, było nasze odkrycie tak zwanej alokacji wspomnień – uświadomienie sobie, że mózg wykorzystuje określone zasady, przypisując jednostki przyswojonej wiedzy określonym grupom neuronów w tych częściach mózgu, które biorą udział w powstawaniu pamięci.

Kluczowa role w odkryciu alokacji wspomnień odegrał szczęśliwy traf. Wszystko zaczęło się od mojej rozmowy z Michaelem Davisem, przyjacielem i współpracownikiem, obecnie pracującym na Emory University, jaka miała miejsce podczas wizyty na Yale University w roku 1998. Davis podzielił się ze mną wynikami badan, w ramach których w jego laboratorium modyfikowano gen nazywany CREB w taki sposób, aby nasilał pamięć emocjonalna u szczurów – na przykład związek pomiędzy dźwiękiem a wstrząsem elektrycznym. Wcześniej pracownicy mojego laboratorium, które obecnie mieści się na University of California w Los Angeles, a także inni naukowcy wykazali, że gen CREB jest niezbędny dla pamięci długotrwałej. Gen CREB realizuje to zadanie, kodując białko, które reguluje ekspresje innych genów, niezbędnych dla pamięci. W trakcie uczenia się powstają albo są wzmacniane niektóre synapsy (struktury komórkowe, które neurony wykorzystują do komunikowania się), co sprzyja interakcjom pomiędzy komórkami. Białko CREB ogrywa w tym procesie rolę molekularnego architekta. Bez jego pomocy zapominalibyśmy większość doświadczeń.

Zaskoczyło mnie, że grupa Davisa była w stanie poprawiać pamięć, mimo że w jego laboratorium zwiększano poziom CREB tylko w części ogólnej populacji neuronów w jadrze migdałowatym – obszarze mózgu o kluczowym znaczeniu dla pamięci emocjonalnej. Przez całe miesiące po wizycie w Yale dręczyło mnie pytanie, jakim cudem wspomnienia trafiały do tych nielicznych komórek, w‹ których mogły wykorzystać wyższy poziom CREB? Czy to możliwe, aby CREB nie tylko dyrygowało powstawaniem wspomnień, ale także pilnowało, aby komórki zawierające CREB były z większym prawdopodobieństwem angażowane w powstawanie wspomnień? W naszych własnych badaniach nad CREB koncentrowaliśmy się na jego funkcjach w szczególnych obszarach mózgu, które biorą udział w mechanizmie pamięci: na jadrze migdałowatym i hipokampie. Hipokamp przechowuje wewnętrzną mapę naszego otoczenia.

Nauka polega w równej mierze na szukaniu pytań, co na odpowiadaniu na te pytania. Rozmowa z Davisem uświadomiła mi, że neurobiolodzy bardzo mało wiedzieli na temat zasad – o ile w ogóle istniały jakieś zasady – decydujących o tym, że dane wspomnienie jest przypisywane określonym neuronom w poszczególnych częściach mózgu, przetwarzających i przechowujących nasze wspomnienia. Dlatego postanowiliśmy przyjrzeć się temu bliżej.

Do pierwszego wielkiego przełomu doszło, kiedy zatrudniliśmy neurobiolog Sheene A. Josselyn, która badała CREB w laboratorium Davisa. W serii doświadczeń na zwierzętach, jakie prowadziła w moim laboratorium, a potem wraz ze swoimi współpracownikami we własnym laboratorium na University of Toronto, Josselyn wykorzystywała wirusy do wprowadzania dodatkowych kopii CREB do określonych neuronów w jadrze migdałowatym myszy. Wykazała, że te neurony z niemal czterokrotnie większym prawdopodobieństwem zachowywały pamięć przerażającego wydarzenia niż neurony z nimi sąsiadujące.

W roku 2007, po niemal 10 latach starań, moje laboratorium we współpracy z zespołem Josselyn wreszcie opublikowało wyniki dowodzące, że wspomnienia emocjonalne nie są losowo przypisywane neuronom jadra migdałowatego. Komórkami wykorzystywanymi do przechowywania tych wspomnień są raczej te, które mają więcej białka CREB. Równie ważne były wyniki dalszych doświadczeń, które wykazały, że CREB pełni podobną funkcję w innych obszarach mózgu, w tym w hipokampie i w korze mózgowej – najbardziej zewnętrznej warstwie.

Włączanie i wyłączanie wspomnień

Chcąc potwierdzić rolę CREB w rozmieszczaniu wspomnień, wykorzystaliśmy nowe metody, które w ostatnich latach przeobraziły badania nad pamięcią. Te techniki laboratoryjne pozwalają na aktywacje lub wyłączanie neuronów – a w efekcie na przywoływanie lub wyciszanie wspomnień.

Na przykład, Yu Zhou, pracująca wówczas w moim laboratorium, modyfikowała genetycznie niewielką grupę neuronów jadra migdałowatego myszy, tak ze miały one podwyższony poziom CREB i wykazywały ekspresje innego białka, które zaprojektowano w laboratorium Edwarda Callawaya w Salk Institute for Biological Studies (La Jolla, Kalifornia). Sprytne białko Callawaya pozwalało nam w wybranym przez nas momencie wyciszać neurony CREB. Kiedy wyłączaliśmy neurony o wysokim poziomie CREB, zachowując aktywność ich odpowiedników o niższych poziomach tego białka, dochodziło do zahamowania pamięci emocjonalnej. Wynik ten dowodzi, że neurony o wyższych poziomach CREB są z większym prawdopodobieństwem angażowane do przechowywania wspomnień.

Wiedzieliśmy, że wyższy poziom CREB może determinować to, które komórki Beda przechowywały określone wspomnienie, ale nie wiedzieliśmy, jak do tego dochodzi. Robert Malenka ze Stanford University ze swoimi współpracownikami odkrył, że zwiększenie poziomu CREB w określonych neuronach oznaczało ich łatwiejszą aktywację. Czy ten wzrost pobudliwości może tłumaczyć, dlaczego neurony z wyższym poziomem CREB były wybierane do przechowywania wspomnień?

Chcąc odpowiedzieć na to pytanie, Zhou modyfikowała neurony jadra migdałowatego w taki sposób, aby wytwarzały więcej CREB. Przy użyciu maleńkich mikroelektrod określała, na ile łatwo jest uzyskać aktywacje tych neuronów, co jest miernikiem pobudliwości. Wyniki potwierdziły, że zmodyfikowane neurony włączały się łatwiej niż ich niezmienione odpowiedniki. Zwiększona pobudliwość (większa gotowość do odbioru i przekazywania impulsów elektrycznych, które przenoszą informacje między neuronami) sugerowała, że te komórki mogły być lepiej przygotowane do inicjowania zestawu procesów niezbędnych dla stworzenia wspomnienia.

Chcąc sprawdzić te hipotezę, Zhou oceniała także połączenia synaptyczne, obejmujące neurony o wyższym poziomie CREB. Znacząca liczba badan wykazała, że zwiększenie siły połączeń synaptycznych ma kluczowe znaczenie dla powstawania wspomnień. Po nauczeniu myszy wykonywania zadania, które wywoływało później wspomnienia emocjonalne, sprawdzała ona siłę połączeń synaptycznych na neuronach jadra migdałowatego o wyższym poziomie CREB, tak aby stwierdzić, czy wykazywały one silniejsze połączenia w porównaniu do komórek, których nie modyfikowano w celu zwiększenia produkcji CREB.

W tym celu pobudzała synapsy tych komórek niewielkim prądem elektrycznym i rejestrowała ich reakcje, wykorzystując maleńkie elektrody, umieszczone wewnątrz komórek. Zgodnie z oczekiwaniami, neurony jadra migdałowatego o wyższym poziomie CREB miały silniejsze synapsy niż inne komórki. Wynik ten jest zgodny z założeniem większego prawdopodobieństwa przechowywania przez te komórki pamięci emocjonalnej.

W jeszcze nowszym badaniu laboratorium Josselyn wykazało, że pamięć przerażających doświadczeń może być przechowywana w określonym zestawie neuronów jadra migdałowatego dzięki poddaniu ich inżynierii genetycznej z wykorzystaniem określonego typu kanału jonowego, który zwiększa pobudliwość tych neuronów. Kanały jonowe tworzą pory na powierzchni komórek, a te konkretne kanały, które wybrała Josselyn, pozwalały na łatwiejszą aktywację tych komórek. Podobnie w laboratorium neurobiologa Alberta Lee z Howard Hughes Medical Institute, Janelia Research Campus (Ashburn, Vancouver), wykazano, że sztuczne zwiększanie pobudliwości neuronów hipokampu w określonym miejscu w czasie, kiedy zwierzęta biegały po bieżni, zwiększało prawdopodobieństwo reakcji tych neuronów na dane miejsce bieżni. Wynik ten jest zgodny z naszymi obserwacjami, że pobudliwość ma kluczowe znaczenie dla stwierdzenia, które komórki zostaną zaangażowane w przechowywanie określonego wspomnienia.

Wreszcie zarówno nasza grupa, jak i grupa Josselyn wykorzystały przełomową technikę określaną jako optogenetyka, w której wykorzystuje się światło do aktywacji albo wyciszania neuronów. Wykorzystywaliśmy tę metodę do włączania szczególnych neuronów o wyższych poziomach CREB. Thomas Rogerson i Balaji Jayaprakash, pracujący wówczas w moim laboratorium, zaczęli modyfikować neurony jądra migdałowatego tak, aby wytwarzały więcej CREB i opsyny ChR2 – kanału jonowego, aktywowanego przez niebieskie światło. Następnie wykazaliśmy, że byliśmy w stanie sztucznie przywołać u myszy wspomnienie strachu, aktywując za pomocą światła neurony jądra migdałowatego, nie działało to natomiast w przypadku neuronów o niższym poziomie tego białka, co potwierdzało, że wspomnienie było przechowywane w tych właśnie neuronach.

Wiązanie wspomnień

W roku 2009 poproszono mnie o napisanie artykułu, dotyczącego naszych badań nad pamięcią. Wykorzystałem tę sposobność do przedstawienia naszych hipotez dotyczących wiązania wspomnień w czasie. Możliwość regulowania, które komórki stworzą określone wspomnienie, dzięki CREB – tak zwana alokacja wspomnień – spowodowała, że wysunąłem hipotezę, iż ten proces może być kluczowy dla zdolności łączenia poszczególnych wspomnień. Moje laboratorium określa to teraz jako hipotezę „alokacji w celu powiązania”. Alokacja wspomnień następuje w podgrupie neuronów, które mają wyższy poziom CREB i łatwiej ulegają aktywacji, dlatego ten proces przygotowuje te neurony do łatwiejszego przyjmowania kolejnych wspomnień. Kiedy dwa wspomnienia dzielą wiele tych samych neuronów, są formalnie ze sobą powiązane.

W efekcie aktywacja tych neuronów podczas przywoływania jednego z tych wspomnień wywołuje przywołanie drugiego. Kluczem do tej hipotezy było założenie, że dwa wspomnienia, które powstają w krótszym odstępie czasu – tego samego dnia – będą z większym prawdopodobieństwem powiązane ze sobą niż wspomnienia, które dzieli dłuższy czas. Jeśli odstęp czasu jest znacznie dłuższy niż jeden dzień, to drugie wspomnienie nie wykorzystuje już pobudliwości wywołanej przez pierwsze, dlatego jest zapisywane w innej populacji neuronów. Ograniczenie czasowe wiązania wspomnień ma sens, ponieważ zdarzenia, które następują w ciągu jednego dnia, są z dużo większym prawdopodobieństwem ważne dla siebie nawzajem niż zdarzenia odległe na przykład o tydzień.

Pisanie artykułu i opisywanie tych idei jeszcze mocniej zmotywowało mnie do ich sprawdzenia. Hipoteza „alokacji wiązania” była prosta, jednak zupełnie nie wiedzieliśmy, jak sprawdzić jej słuszność. Musieliśmy poczekać z weryfikacją na właściwy moment.

Sytuacja zmieniła się, kiedy do projektu przystąpili Denise J. Cai i Justin Shobe, pracujący wówczas w moim laboratorium. Cai zaproponowała genialne rozwiązanie. Wraz z Shobe wprowadzała myszy tego samego dnia, w odstępie pięciu godzin, do dwóch komór, mając nadzieję, że dojdzie do powiązania wspomnień. Następnie w drugiej komorze lekko raziła gryzonie prądem w łapy. Zgodnie z oczekiwaniami, kiedy w przyszłości umieszczała myszy w komorze, w której zostały porażone prądem, zastygały bez ruchu, prawdopodobnie przypominając sobie, że tam doznały porażenia. Zastyganie bez ruchu jest naturalną reakcją myszy na zagrożenie, ponieważ większość drapieżników lepiej dostrzega ofiary, kiedy się poruszają. Kluczowym elementem było umieszczenie myszy w neutralnej komorze. Uznaliśmy, że jeśli wspomnienia z obu komór zostaną powiązane, myszy w przestrzeni neutralnej będą pamiętały o porażeniu prądem, do jakiego doszło w drugiej komorze, i zastygną bez ruchu – i to dokładnie zaobserwowaliśmy.

Domyślaliśmy się także, że te dwa wspomnienia będą z mniejszym prawdopodobieństwem ze sobą powiązane, jeśli pomiędzy nimi upłynie siedem dni. I rzeczywiście, ponowna ekspozycja zwierząt na komorę neutralną po dłuższym czasie nie przypominała im o komorze, w której były rażone prądem, i nie zastygały bez ruchu. W ogólności w przypadku odstępów dłuższych niż jeden dzień wspomnienia nie zostają powiązane.

Te odkrycia dotyczące zachowań były ekscytujące, ale nie pozwalały na zbadanie kluczowego założenia, związanego z tą hipotezą – że poszczególne wspomnienia, powstające w krótkich odstępach czasu, są zapisywane w tych samych częściach mózgu, w nakładających się populacjach neuronów. To fizyczne nakładanie się wiąże ze sobą dwa wspomnienia, tak że przywołanie jednego przywołuje na myśl drugie.

Wizualizacja

Rzeczywiste sprawdzenie hipotezy „alokacji” nie mogło się obyć bez możliwości uwidocznienia w mózgu wspomnień w chwili ich powstawania. Techniki obrazowania neuronów u żywych myszy są już obecnie stosowane, jednak zawsze wymagają podłączenia głowy myszy do dużych mikroskopów, co praktycznie uniemożliwia badania behawioralne, niezbędne do badania tej hipotezy.

Zaskakuje mnie jednak, ile razy w mojej karierze odpowiednia technika pojawiała się właśnie wtedy, kiedy najbardziej jej potrzebowaliśmy. Tak się złożyło, że brałem udział w seminarium na U.C.L.A. prowadzonym przez Marka Schnitzera ze Stanfordu, który przedstawiał maleńkie mikroskopy, jakie właśnie wynaleziono w jego laboratorium, umożliwiające wizualizację neuronów u swobodnie poruszającej się myszy. Taki mikroskop, ważący dwa do trzech gramów, można zamocować na głowie zwierzęcia niczym kapelusz. Właśnie tego narzędzia potrzebowała nasza grupa do monitorowania neuronów, aktywowanych przez określone wspomnienie. Pozwoliło nam ono określić, czy te same neurony były aktywowane kilka godzin później, kiedy powstawało nowe wspomnienie. Było to założenie kluczowe dla hipotezy „alokacji”.

Byliśmy tak podekscytowani możliwościami tego niezwykłego odkrycia, że postanowiliśmy zaprojektować własna wersje mikroskopu. Połączyliśmy siły z laboratoriami Peymana Golshaniego i Baljita Khakha z U.C.L.A. i wspólnie zatrudniliśmy utalentowanego Daniela Aharoni, który w ramach stażu podoktorskiego zajął się projektowaniem urządzeń, nazwanych przez nas miniskopami U.C.L.A. Podobnie jak mikroskopy Schnitzera, także nasze miniskopy maja obiektyw mocowany w pobliżu komórek mózgowych, których aktywność chcemy rejestrować. Urządzenie mocuje się na czaszce zwierzęcia na płytce, która zapewnia stabilność sprzętu podczas zadań ruchowych i badania pamięci. Nie tylko pożyczaliśmy techniki od innych naukowców, ale też chętnie się nimi dzieliliśmy. Jesteśmy zagorzałymi zwolennikami ruchu opensource w nauce i udostępniliśmy nasze projekty i oprogramowanie miniskopów U.C.L.C. setkom innych grup na całym świecie.

W celu wizualizacji za pomocą miniskopów aktywności neuronów Cai i jej współpracownik, Tristan Shuman, wykorzystywali technikę obrazowania, w której modyfikuje się genetycznie neurony zwierząt w taki sposób, że emitują światło fluorescencyjne w momencie, kiedy w komórkach wzrasta poziom wapnia – jest to znany, kodowany genetycznie wskaźnik tego pierwiastka.

Postanowiliśmy skoncentrować się na rejonie CA1 hipokampu ze względu na role, jaka odgrywa on w uczeniu się i zapamiętywaniu miejsc, na przykład komór, które wykorzystaliśmy w swoich eksperymentach behawioralnych. Myszy z założonymi kapeluszami-miniskopami umieszczano w dwóch komorach. Chcieliśmy przekonać się, czy odstęp czasu między umieszczaniem w różnych komorach wpływał na to, które neurony ulegały aktywacji.

Wyniki przeszły nasze oczekiwania! Mówiąc w skrócie, nasze eksperymenty behawioralne z wykorzystaniem miniskopów wykazały, że kiedy myszy wiązały wspomnienia dwóch komór, wiele neuronów CA1, które ulegały aktywacji podczas wizyty w pierwszej komorze, uruchamiało się także podczas zwiedzania przez nie drugiej komory. Jeśli odstęp między wizytami wynosił około pięciu godzin, myszy tworzyły dwa wspomnienia w zbliżonych grupach neuronów. Kiedy odstęp zwiększono do siedmiu dni, nie występowało to nakładanie się aktywacji.

Byliśmy zachwyceni tym odkryciem, ponieważ potwierdzało ono podstawowy warunek hipotezy „alokacji wiązania”: wspomnienia ulegają powiazaniu, jeśli są przechowywane w nakładających się populacjach neuronów. Jeśli w późniejszym czasie dojdzie do ponownej aktywacji zespołu neuronów, który przechowuje dowolne z tych dwóch wspomnień, pobudza to drugie wspomnienie i ułatwia jego przywołanie.

Znakowanie wspomnień

Chcąc dodatkowo zweryfikować wyniki badan miniskopem, Cai wykorzystała inna metodę, opracowana przez neurobiologa Marka Mayforda, obecnie pracującego na University of California w San Diego. W tym eksperymencie wykorzystano technikę Mayforda, nazwana systemem TetTag (nazwa pochodzi od znaczników – tagów tetracyklinowych). Kiedy transgeniczna mysz zwiedza komorę, powstaje wspomnienie – w efekcie tego procesu TetTag znakuje aktywowane neurony fluorescencyjnym znacznikiem, który utrzymuje się w niezmienionej formie przez całe tygodnie.

Prowadzone następnie post mortem badania tych zwierząt pozwalają na porównanie neuronów aktywowanych w ostatnim czasie – znakowanych przez geny, które ulegają ekspresji natychmiast po powstaniu wspomnienia – z neuronami oznakowanymi znacznikami długoterminowymi. Pozwala to zidentyfikować nie tylko neuron oznakowany przez jedno wydarzenie – wówczas neuron ma jeden fluorescencyjny znacznik – ale także przez dwa wydarzenia: wykazujący świecenie obu znaczników.

Wykorzystując ten sam schemat doświadczalny, co poprzednio, Cai i jej zespół wykazali, że przy krótkim, pięciogodzinnym odstępie nakładanie się neuronów noszących oba wspomnienia i oznaczonych obydwoma znacznikami było znacznie większe, niż wynikałoby z przypadku. Dla odstępu siedmiodniowego tego efektu nie obserwowano.

Kolejne doświadczenia, prowadzone przez zespół Josselyn z Toronto, dostarczyły jeszcze więcej dowodów na prawdziwość naszej hipotezy, dotyczącej wiązania wspomnień. Jej grupa naukowców nie tylko przeprowadziła inna wersje doświadczenia ze znakowaniem neuronów, ale też uzyskała niezależne, behawioralne dowody na wiązanie wspomnień. Naukowcy z Toronto uznali, że jeśli populacje neuronów kodujących dwa wspomnienia nakładają się na siebie, wzrost poziomu CREB, wywołany przez pierwsze wspomnienie, powinien także wzmacniać drugie wspomnienie. Jednak zamiast umieszczać myszy w różnych miejscach, jak w naszym badaniu, zespół Josselyn trenował zwierzęta, tak aby nauczyły się rozpoznawać dwa różne tony. Trening dotyczący pierwszego tonu wzmacniał pamięć drugiego tonu, jeśli obie sesje treningowe odbyły się w ciągu sześciu godzin. Nie obserwowano tego zjawiska, jeśli odstęp wynosił od sześciu do 24 godzin.

Kaoru Inokuchi wraz ze swoimi współpracownikami z University of Toyama w Japonii posunęli się w swoich analizach jeszcze dalej. Wykorzystywali metody optogenetyczne do dezaktywacji grup komórek, które były wykorzystywane przez dwa różne emocjonalne wspomnienia. Pozostawiali natomiast nienaruszone pozostałe komórki, także te, które były zaangażowane tylko w

jedno z tych dwóch wspomnień. Badacze wykazali, że dezaktywując komórki wspólne dla obu wspomnień byli w stanie przerwać powiazanie między dwoma wspomnieniami, nie zaburzając przywoływania poszczególnych z nich. Ten elegancki eksperyment dostarczył bezpośrednich dowodów na to, że neurony wspólne dla dwóch wspomnień są kluczowe dla ich powiazania. A więc kolejne już laboratorium niezależnie dostarczyło dowodów na poparcie naszej nowo powstałej hipotezy alokacji.

Poprawa pamięci

Następnie postanowiliśmy zbadać, jak wygląda wiązanie wspomnień u starszych myszy. W porównaniu do młodych, starsze myszy mają w mózgu niższy poziom CREB. Dotyczy to także neuronów w obszarze CA1 hipokampu i wiąże się z niższą pobudliwością. Wiedząc o tym, przewidywaliśmy, że starzejące się myszy powinny zacząć wykazywać problemy z wiązaniem wspomnień. Dlatego Cai wraz ze współpracownikami zaczęła powtarzać wiele przeprowadzonych wcześniej eksperymentów u starszych zwierząt. Wyniki nas zaskoczyły. Doświadczeni naukowcy wiedzą, że hipotezy to tylko narzędzia. Nie oczekujemy, aby koniecznie się potwierdziły. Nieuniknione porażki pomagają nam krok po kroku modyfikować nasze wyobrażenia. Jednak tym razem nasze przeczucia okazały się słuszne.

Wciąż pamiętam moment, kiedy Cai wpadła do mojego biura, z trudem łapiąc oddech. Powiedziała mi, że myszy w średnim wieku pamiętają poszczególne komory, ale maja wyraźne problemy z wiązaniem ze sobą wspomnień, nawet jeśli ekspozycja następowała w odstępie pięciu godzin, co nie stanowiło żadnego problemu dla młodszych gryzoni. W porównaniu z młodymi dorosłymi myszami badania obrazowe starszych zwierząt przeprowadzane z użyciem miniskopy wykazały brak nakładania się przechowywanych wspomnień.

Byliśmy podekscytowani, ale zarazem sceptyczni, dlatego od razu powtórzyliśmy te doświadczenia. Wyniki okazały się jeszcze bardziej przekonujące. Neurony myszy w średnim wieku z niższym poziomem CREB nie wiązały wspomnień równie łatwo, jak u młodych zwierząt.

Rezultaty ośmieliły nas do poszerzenia zakresu naszych badan. Czy byłoby możliwe sztuczne zwiększenie pobudliwości podgrupy neuronów CA1 w czasie, kiedy starsze myszy badały obie komory, tak aby cześć neuronów CA1, aktywowanych w jednej komorze, uruchomiła się także po przeniesieniu zwierząt do drugiej komory?

W tym celu wykorzystaliśmy przełomową technikę, w której metodami inżynierii genetycznej wprowadza się na powierzchnie komórki receptory, pozwalające kontrolować jej działanie. Technika ta jest określana akronimem DREADD (od designer receptors exclusively activated by designer drugs, czyli zaprojektowane receptory, aktywowane wyłącznie przez zaprojektowane leki). Aktywowanie receptorów DREADD pozwalało nam włączać te sama grupę neuronów CA1 w czasie, kiedy zwierzęta zwiedzały obie komory, tworząc w ten sposób powiazanie wspomnień dotyczących tych dwóch komór.

Musze przyznać, że początkowo pomysł na ten eksperyment wydawał mi się niedorzeczny. Można znaleźć niezliczona liczbę powodów, dla których mógł się nie udać. Przede wszystkim wspomnienia miejsc obejmują wiele milionów neuronów, rozproszonych po różnych, połączonych ze sobą obszarach mózgu, nie tylko obszar CA1. Starzenie mogło wpływać na procesy wiązania wspomnień w wielu z

tych obszarów, może nawet we wszystkich. Dlatego nawet gdyby udało nam się zwiększyć pobudliwość jednej podgrupy neuronów CA1, może nie byłyby to te właściwe komórki. Co więcej, może nie wywołalibyśmy odpowiedniego poziomu pobudliwości.

Ale eksperyment zadziałał. Kluczem w przypadku tego typu desperackich badan jest równowaga pomiędzy zainwestowanym czasem i pieniędzmi a potencjalnym zyskiem. Jednak w tym przypadku dopisało nam szczęście. Przywracając zwiększona pobudliwość określonego podtypu neuronów CA1 u myszy w średnim wieku, byliśmy w stanie uzyskać przypisanie dwóch wspomnień do wielu powtarzających się neuronów CA1 i w ten sposób odtworzyć u tych myszy wiązanie wspomnień.

Badania z innych laboratoriów, prowadzone na gryzoniach i z udziałem ludzi, również rzuciły światło na to, jak wspomnienia mogą się ze sobą splatać. Neurobiolog Howard Eichenbaum z Boston University wykazał, że szczury potrafią znaleźć powiazania między wspomnieniami, które dotyczą tego samego przedmiotu. Neurobiolog Alison Preston z University of Texas w Austin wraz ze współpracownikami wykazała, że jeśli wspomnienia dotyczą tego samego przedmiotu, ludzie potrafią łatwiej je ze sobą wiązać. Przywołanie jednego prawdopodobnie wywoła także drugie.

Rosnący arsenał narzędzi, jakie mamy do dyspozycji, pozwalających na pomiar i kontrole aktywności neuronów, zaczyna odsłaniać mechanizmy, jakie nasz mózg wykorzystuje do organizowania informacji. Nasz zespół próbuje teraz kontynuować te badania innymi sposobami. Wraz z Panayiota Poirazi, specjalista w dziedzinie modelowania komputerowego układu nerwowego z Institute of Molecular Biology and Biotechnology w Foundation for Research and Technology (Hellas, Grecja), tworzymy modele komputerowe, symulujące, w jaki sposób i kiedy powstają powiazania między wspomnieniami. Próbowaliśmy również rozszyfrować mechanizmy, które kontrolują odstęp czasu niezbędny dla powiazania wspomnień w różnych strukturach mózgu.

Dotychczas w wielu laboratoriach przeprowadzono szeroko zakrojone doświadczenia, z których wszystkie mocno przemawiają za hipoteza alokacji wiązania. Mamy nadzieje, że zrozumienie, jak dochodzi do splatania wspomnień, może nam pomóc opracować metody leczenia zaburzeń pamięci, występujących powszechnie w szerokim spektrum zaburzeń psychicznych, od upośledzenia funkcji poznawczych związanego z wiekiem po schizofrenie, depresje i chorobę afektywną dwubiegunową. Poza implikacjami klinicznymi opisane przez nas badania odzwierciedlają ekscytująca nowa erek w badaniach nad pamięcią, w której przeprowadzanych przez nas doświadczeń nie ograniczają już dostępne techniki, ale granice naszej wyobraźni.

Artykuł ukazał się w „Świecie Nauki” 8/2017