Spoznajte dva znanstvenika, ki sta v miško vsadila lažni spomin

Bil je dan pred božičem in običajno zaseden laboratorij MIT na ulici Vassar v Cambridgeu je bil tiho. Toda bitja so se vsekakor mešala, tudi miška, ki bi kmalu postala svetovno znana.

Povezane knjige

Moonwking z Einsteinom: Umetnost in znanost zapomniti vse

Nakup

Sorodne vsebine

• Možganski vsadki so lahko sposobni udariti poškodovane spomine nazaj v obliko

Takrat 24-letni doktorski študent Steve Ramirez je miško postavil v majhno kovinsko škatlo s črnim plastičnim podom. Namesto da bi radovedno vohala naokoli, je žival v hipu zmrznila in se spomnila izkušnje, da je v istem okencu prejela udarce s stopalom. To je bil odziv učbenika na strah in če je bilo kaj drugega, je bila drža miške bolj kruta, kot je pričakoval Ramirez. Njen spomin na travmo je moral biti precej živ.

Kar je bilo neverjetno, saj je bil spomin lažen: Miška v tej škatli še nikoli ni prejela električnega udara. Namesto tega je reagiral na lažni spomin, ki sta ga Ramirez in njegova kolega z MIT Xu Liu posadila v svoje možgane.

"Vesel božični božič, " je prebrala temo e-poštnega sporočila, ki ga je Ramirez ustrelil Liu, ki je preživljal počitnice 2012 v narodnem parku Yosemite.

Opazovanje je doseglo vrhunec več kot dveh let dolgoletnega raziskovalnega prizadevanja in podprlo izjemno hipotezo: ne le, da je bilo mogoče identificirati možganske celice, ki sodelujejo pri kodiranju enega samega spomina, ampak bi s temi specifičnimi celicami lahko manipulirali, da bi ustvarili povsem novo "Spomin" na dogodek, ki se ni nikoli zgodil.

"To je fantastičen podvig, " pravi Howard Eichenbaum, vodilni raziskovalec spomina in direktor Centra za nevroznanost na bostonski univerzi, kjer je Ramirez opravil dodiplomsko delo. "To je pravi preboj, ki pokaže moč teh tehnik za reševanje temeljnih vprašanj, kako možgani delujejo."

V preboju nevroznanosti je dvojac vsadil lažni spomin v miško

Možnost, da se natančno spominja, spominja na znanstvenike že leta. "Veliko ljudi je razmišljalo v tej smeri, " pravi Sheena Josselyn, višja nevroznanstvenica v bolnišnici za bolne otroke v Torontu, ki preučuje celične podloge spomina, "vendar se jim nikoli ni sanjalo, da bodo ti poskusi dejansko uspeli. Nihče ni nikoli pomislil, da bi to lahko dejansko naredil. "

Razen Ramireza in Liua. Njihovo delo je začelo novo obdobje v raziskavah spomina in bi lahko nekega dne privedlo do novih načinov zdravljenja zdravstvenih in psihiatričnih stisk, kot so depresija, posttravmatska stresna motnja in Alzheimerjeva bolezen. "Nebo je zdaj že meja, " pravi Josselyn.

Čeprav je bilo do zdaj opravljeno delo na laboratorijskih miših, odkritja dueta odpirajo globljo misel v človeško naravo. Če lahko s spomini manipuliramo po svoji volji, kaj pomeni imeti preteklost? Če lahko izbrišemo slab spomin ali ustvarimo dober, kako lahko razvijemo pravi občutek zase? "Spomin je identiteta, " je v svojem spominku napisal britanski avtor Julian Barnes. "Vi ste tisto, kar ste storili; kar si naredil, ti je v spominu; to, kar se spomniš, določa, kdo si. "

***

Znanstveniki sprašujejo: Ali lahko z deaktiviranjem pozitivnih spominov posežemo v depresivno stanje? (Irvin Serrano) Približno 5 odstotkov milijon celic zmernih girusov je aktivnih, ko miš zakodira spomin na neko mesto. Tu so aktivne celice roza in oranžne barve. (Xu Liu in Steve Ramirez) V tem pogledu na mišje možgane so celice, ki jih Steve Ramirez in Xu Liu lahko nadzorujeta s svetlobo, rdeče. Ostale aktivne celice so v zeleni barvi. (Steve Ramirez in Xu Liu) Celice, ki so aktivne med enim spominom, se pogosto razlikujejo po svoji genski aktivnosti, rdeče proti zeleni. Razumevanje razlik lahko poveča učinkovitost manipulacije s spominom. (Steve Ramirez in Xu Liu) Celice v mišjih možganih so na tej sliki označene glede na njihovo starost. Celice, mlajše od treh tednov, v rdeči barvi, so med tvorjenjem spomina komaj aktivne. (Steve Ramirez in Xu Liu)

"Vedno me je presenetila raven nadzora, ki jo lahko ima znanost po svetu, " pravi Ramirez, ki je kot otrok nabiral kamnine in se spominja, da so bili presenečeni, da dejansko obstajajo načini, kako ugotoviti, koliko starih kamnin. "Primer je do zdaj že banalen, " pravi, "ampak kot vrsto smo nekoga postavili na Luno. In večinoma smo ugotovili, kako izkoreniniti stvari, kot so strupe, stvari, ki jih ne morete videti, katerih obstoj morate sklepati iz posrednih meritev, dokler vaši mikroskopi ne postanejo dovolj dobri. "

Kar sta Ramirez, ki je danes star 26 let, in Liu (36), lahko videla in nadzorovala, so utripajoči grozdi nevronov, znani kot engrami, kjer so shranjeni posamezni spomini. Združevanje moči konec leta 2010, nekaj mesecev po tem, ko je Ramirez začel podiplomsko delo na MIT-ju, sta oba moška zasnovala izpopolnjeno novo metodo za raziskovanje živih možganov v akciji, sistem, ki združuje klasično molekularno biologijo in nastajajoče polje optogenetike, v katerem so laserji so nameščeni tako, da spodbudijo genetsko zasnovane celice, da so občutljive na svetlobo.

Oborožena z najsodobnejšimi orodji in podprta s MIT-jevega Susumu Tonegawa, nobelovca za svoje delo v imunologiji, katerega laboratorij sta bila del, sta se Ramirez in Liu lotila iskanja, ki je rezultiralo v dveh pomembnih študijah, objavljenih 16 mesecev narazen, bliskovite eksplozije sijaja, ki so izboljšale naše razumevanje spomina na celični ravni. Ramirez opisuje svoja odkritja, ko počne skoraj vse, z obilico: "Prvi papir je bil kot ujet strele v steklenico, drugi papir pa je bil kot strela, ki dvakrat zadene isto mesto."

Zametki: Kako sta Ramirez in Lieu ustvarila lažni spomin v laboratorijski miški. (5W infografika)

V prvi študiji, objavljeni v Nature marca 2012, sta Ramirez in Liu identificirala, označila in nato znova aktivirala majhno gručo celic, ki kodirajo spomin na strah mišje, v tem primeru spomin na okolje, kjer je miška doživela šok zaradi stopala. Podvig zagotavlja močan dokaz dolgotrajne teorije, da so spomini zakodirani v engramih. Večina prejšnjih poskusov je vključevala sledenje kemijski ali električni aktivnosti možganskih celic med oblikovanjem spomina. Ramirez in Liu sta te metode zavrnila kot preveč natančne. Namesto tega so sestavili prilagojen nabor tehnik za upodabljanje mišjih možganskih celic na njihovem ciljnem območju (del hipokampusa, imenovanega dentatni girus), občutljive na svetlobo.

V sodelovanju s specializirano pasmo gensko inženirskih laboratorijskih miši je ekipa vbrizgala dentatni girus z biokemijskim koktajlom, ki je vključeval gen za svetlobo občutljiv protein, kanalhodopin-2. Aktivne dentatne žiroskopske celice - tiste, ki sodelujejo pri oblikovanju spomina - bi proizvajale beljakovine in tako same postale občutljive na svetlobo. Zamisel je bila, da bi ga bilo mogoče, potem ko je pomnilnik kodiran, znova aktivirati tako, da bi te celice preslikali z laserjem.

Da bi to naredili, sta Ramirez in Liu s laserjem kirurško vsadila tanke nitke skozi lobanje mišk in v dentaten girus. Ponovno aktiviranje spomina - in s tem povezan odziv na strah - je bil edini način, da dokažemo, da so dejansko identificirali in označili engram. Raziskovalci so po poskusu žrtvovali živali in pregledali možganska tkiva pod mikroskopom, da bi potrdili obstoj engramov; celice, ki sodelujejo v določenem spominu, so se svetile zeleno po zdravljenju s kemikalijami, ki so reagirale s kanalhodopsin-2.

Ko sta Ramirez in Liu z mikroskopom pogledala zdravljene nevrone, "je bila kot zvezdna noč, " pravi Liu, "kjer lahko vidite posamezne zvezde." Čeprav so bile te aktivne celice le del široko razširjenega šok stopala, ponovno aktiviranje le-teh je bilo dovolj, da sproži strah.

Naslednji korak je bil manipulacija z določenim engramom, da bi ustvarili lažni spomin, eleganten eksperiment, podrobno opisan v drugem prispevku Ramireza in Liua, ki je bil objavljen v Science julija 2013. Pripravili so miško, injicirali biokemični koktajl v dentaten girus. Nato so miško dali v škatlo, ne da bi jo šokirali. Medtem ko je žival raziskovala 12 minut, je bil spomin na to benigno izkušnjo kodiran kot engram. Naslednji dan smo miško namestili v drugo škatlo, kjer se je njen spomin na prvo (varno) škatlo sprožil s streljanjem laserja v dentaten gyrus. V tistem trenutku je miška doživela šok z nogami. Tretji dan so miško vrnili v varno blagajno in v strahu takoj zmrznili. Tam še nikoli ni bil deležen šoka s stopalom, toda zaradi lažnega spomina, ki so ga raziskovalci ustvarili v drugi škatli, se je to obnašalo, kot da ga ima.

Ni bilo nobene možnosti, da bi miška zmotila eno škatlico za drugo: bili so različnih oblik in barv ter imeli različne vonjave. Ramirez in Liu sta uporabila tudi več kontrolnih skupin, kar je izključilo možnost, da je naslednji trenutek laser in ne aktiviranje engrama sprožil strah naslednji dan. Res so si ustvarili spomin.

***

Objava je povzročila novico medijske blaznosti. "Znanstveniki spremljajo spomine na stvari, ki se nikoli niso zgodile, " so prebrali naslov v New York Timesu . Ramirez in Liu sta se zbudila sredi noči, da sta v živo opravljala intervjuje na evropskem radiu. Liuovi starši nazaj na Kitajskem so o njegovih dosežkih prebrali na spletu. Javna fascinacija nad vlogo lažnega spomina v kazenskih sojenjih (visok temnopolti ropar banke je očividci videl pravzaprav kratek in plešast) je pripomogel k temu, da je zgodbo spodbudil. Toda brez dvoma je znanost znanstvene fantastike še posebej navdušila. Mnogim se je zdelo, da potrjujejo poznane (in zastrašujoče) ideje iz filmov, kot sta Inception in Eternal Sunshine of the Spotless Mind . Nič ni tako, kot se zdi; resničnost je le sanje; komu boste zaupali, jaz ali vaše lažne oči?

Za nevroznanstvenike je bilo odkritje Ramireza in Liua naravnost strašno. "Zame je bila uspešna le njihova neustrašnost, " pravi Josselyn. "Lahko si predstavljate vse stvari, ki bi lahko šle narobe, toda ti fantje so šli tja, dobili so najboljša orodja, uporabili najboljšo možgansko moč." Eichenbaum se strinja, da so mladi znanstveniki šli "ven na okončino" in vzeli veliko tveganje pri njihovi karieri. "Lahko bi preživeli tri leta in na koncu niso imeli ničesar za pokazati, " pravi.

Preživite nekaj časa okrog Ramireza in Liua in hitro začutite njihovo vznemirljivo držo. Prihajajo iz različnih svetov - Liu se je rodil in odraščal v Šanghaju, sin očeta kemijskega inženirja in mati, ki je delala na železnici, Ramirezovi starši pa so v 80. letih zbežali iz državljanske vojne v Salvadorju in se nastanili v Everettu v Massachusettsu. vendar njihove dobro ujemajoče se osebnosti niso naključje. Jeseni 2010 se je Liu pogovarjal s potencialnimi partnerji, da bi z njim raziskal skrivnosti spomina, zato se je sprva osredotočil na znanstveno znanje. A s časom je na vrh svojega seznama želja postavil drugačen atribut - srečo. "Če boste sodelovali z ljudmi, želite sodelovati z srečnimi ljudmi, " pravi Liu. "In Steve je eden najsrečnejših fantov, kar sem jih kdaj videl." Je tudi govornik hitrosti, ki v vsako sapo vtisne cel kup besed. "Ne more nehati govoriti, " se šali Liu. "V nasprotnem primeru bo umrl."

***

Ko je bil Ramirez mlad, je z očetom pogosto hodil v laboratorij za lokomotiranje živali na Harvardu, ki je tam začel čistiti kletke in pometati tla ter kasneje postal glavni strokovnjak za živali. Med obiski v laboratoriju je Ramirez videl lame, noje in druga bitja in "ljudi, ki z živalmi delajo kul stvari, delajo meritve in podobno." Po njegovem mnenju je "nekaj nenamerno absorbiral", kar ga je pomagalo spodbuditi k znanosti.

Toda možgani so sklenili posel. "Ne glede na to, ali gre za sonet ali nekoga na Luno ali ugotavljanje bioloških molekul življenja, vse to je bil produkt možganov, nevronske aktivnosti, " pravi Ramirez in opisuje, kako so njegova široka zanimanja - Shakespeare, inženiring, biologija in drugo - ga je končno pripeljala do nevroznanosti. "Zakaj ne bi preučevali tistega, ki je ustvaril vse?"

Liu je že zgodaj v življenju pokazal tudi znanstveni upogib. In čeprav zagotovo ni prvi znanstvenik, ki je otroštvo preživljal z zbiranjem hroščev, je bila Liuova posvečenost izrazita. Vzgojil je družine štirinožcev, imel veliko sijočih hroščev in gojil kobilice v drobnih kletkah. Ponavadi je hranil kobilice edamame, vendar je odkril, da pekoča paprika povzroča zanimivo reakcijo. "Še bolj bi peli, " pravi. Po študiju biologije na dodiplomskem študiju na univerzi Fudan v Šanghaju je Liu doktoriral na medicinskem fakultetu Baylor, ki je študiral spomin na sadni muhi.

Kot najstnik se je ukvarjal z znanstveno fantastiko in napisal roman z naslovom Izziv . Šlo je za prihodnost, v kateri športniki niso več tekmovali drug proti drugemu, temveč so bili podvrženi različnim objektivnim meritvam uspešnosti ali fiziologije: hitrosti, moči, pljučne zmogljivosti in tako naprej. Junak se želi vrniti k resnični konkurenci in obnoviti neizmerljive dejavnike sreče in priložnosti.

Nekega dne to pomlad, ko je Liu našteval marsikaj, kar bi lahko pri njegovem delu z Ramirezom šlo narobe - do odkritja bi jih lahko premagala tekmeca, lahko bi napačni del možganov pobrali na nič naprej - dejal je, da je prepričan, da je pri njihovem uspehu igrala sreča. Če bi bilo tako, sem si rekel, potem bi njegovo delo odraslega posnel na temo svojega otroškega romana. "To je neverjetno, " je rekel po dolgem molku. "Nikoli nisem vzpostavil povezave med knjigo in tem delom, vendar mislim, da imaš prav."

Več kot dva ducata laboratorijev po vsem svetu sestavljata projekte, ki temeljijo na raziskavah Ramireza in Liua. Eichenbaum je na primer zainteresiran za reprodukcijo večje izkušnje, spomina, ki se pojavi sčasoma, kot je navigacija po labirintu.

V času, ko zdravljenja številnih resnih duševnih bolezni primanjkuje, so potencialne klinične aplikacije spreminjanja spomina vabljive. "To je nekako noro, " pravi Josselyn, katere delo se osredotoča na Alzheimerjevo bolezen in druge motnje, povezane s spominom, "ampak morda nekdo z Alzheimerjevo boleznijo ... morda si lahko zamislimo zdravljenje, da bi samo šli in počeli to, kar so storili ti fantje v svojih dokumentih in nekako umetno aktivirajo te celice, pospešijo aktivacijo in izboljšajo spomine. "

V drugi teoretični uporabi bi bilo mogoče PTSP olajšati z večkratnim ponovnim aktiviranjem slabega spomina, da bi pokazali, da sam spomin ni škodljiv, ali z brisanjem travmatičnih komponent specifičnega slabega spomina ali z zamenjavo s pozitivnim. Na podlagi Ramirezovega in Liujevega dela so drugi v laboratoriju v Tonegavi naredili prav to pri samskih miših v začetku letošnjega leta in pretvorili negativni spomin na šok s stopalom v pozitiven spomin na srečanje z žensko mišjo.

Ramirez, ki končuje doktorat na MIT-ju, in Liu, ki se odpravlja na univerzo Northwestern, da začenja lastni laboratorij, sta nedavno prevzela še eno veliko spominsko vprašanje: Ali lahko žival posežemo v depresivnem stanju z reaktiviranjem pozitivnih spominov? Zdi se, da je odgovor pritrdilen. Proučujejo mišje modele anhedonije ali izgube zanimanja za užitek, simptoma depresije. Eksperimentalne miši, ki so bile pod stresom, dokler ne bodo več iskale užitka (na primer požirek sladkorne vode), obnovijo zanimanje, ko se ponovno aktivirajo programi za prijetne izkušnje. Dosedanja stopnja uspešnosti je 80 odstotkov.

"Ker obstaja načelo načela, da lahko umetno znova aktiviramo spomine in ustvarjamo lažne spomine na živalih, " pravi Ramirez, "edini preskok, ki je tu ostal med ljudmi, je zgolj tehnološka inovacija."

Kaj pa etični problemi manipulacije s spominom? Patricia Churchland, profesorica na UC San Diego in avtorica filma Touching a Nerve: Sebe kot možgani, pravi, da tovrstna terapija ne bo tako globoka sprememba, kot se zdi. Človeški spomini, nenatančni in labilni za začetek, so že dolgo tarča intervencij, od kognitivno-vedenjske terapije do elektrošoka do zdravil. Zdravljenje stanj, kot je depresija na engramski ravni, "je neprekinjeno s tem, kar že počnemo, " pravi Churchland, vodilni filozof nevroznanosti.

Ramirez verjame, da je operacija spomina neizogibna, čeprav se moramo spoprijeti z veliko vprašanji. Kako bi bilo to mogoče storiti varno? Neinvazivno? Etično? Kako bi izbrali bolnike? Tako boleč, kot je ponavadi srčni utrip, večina nas tudi prepozna, da gre za naraven, celo zdrav del življenja. Srednješolec, ki se je ravnokar razšel s svojim dekletom, morda ni dober kandidat za operacijo spomina. Toda ljudje z demenco ali hudo depresijo - ali bi bilo nehumano, da ne bi olajšali svojega trpljenja, če bi bil možen učinkovit, varen poseg v spomin?

Vdori, ki sta jih Ramirez in Liu vdelala v mehaniko spomina, odpirata nov svet možnosti, ki so globoke, zastrašujoče, presenetljive in nujne. "Včeraj moramo začeti pogovor o tem, kaj bomo počeli, ko se to zgodi, " pravi Ramirez, "tako da smo pripravljeni in vemo, kako ravnati."