Pandangan Bagaimana Otak Kita Menyusun Kenangan Sepanjang Masa

Penyelidikan mengenai organisasi memori kita telah lama menjadi topik menarik di kalangan ahli sains saraf kerana ini boleh menyebabkan rawatan untuk membalikkan gangguan kognitif. Di sini, kami mengkaji beberapa penemuan baru-baru ini tentang bagaimana memori disusun yang menunjukkan pentingnya "gelombang" aktiviti neuron yang terkoordinasi dalam navigasi spasial, dan sifat temporal yang mendasari bagaimana kenangan yang dihubungkan dikodkan.

Untuk tujuan ini, hasil yang dijelaskan di sini menyoroti peranan penting dan berubah-ubah hippocampus - pusat ingatan otak - dalam pembentukan dan penyatuan ingatan kita, dan dengan meluaskan rasa jati diri kita.

Melakukan "Orkestra" Neuronal Otak: Peta Tata Ruang di Mata Minda Kita

Untuk tetikus, bagaimana peta ruang dikemas kini dan dihasilkan semasa menavigasi persekitarannya? Dalam satu kajian baru-baru ini, para saintis melaporkan untuk pertama kalinya bahawa kawasan hippocampal pusat CA1 di otak tikus bertanggungjawab untuk peta ini - dan ini berlaku melalui input gelombang saraf dari kawasan otak di sekitarnya. Untuk menunjukkan ini, kawasan hippocampal CA3 yang terletak berhampiran dengan CA1 dimanipulasi sehingga inputnya dimatikan. Sesungguhnya, ketika input dihentikan, terdapat banyak kekacauan peta yang dikemas kini.

Dalam kajian ini, tikus direkayasa secara genetik untuk mengekspresikan toksin di CA3 yang menghentikan fungsi persimpangan sinaptik yang menghubungkan CA3 ke kawasan lain di otak. Ini tidak mengubah aktiviti neuron tetapi menghilangkan komunikasi antara sinapsis, dan memungkinkan para saintis untuk menyelidiki apa yang terjadi pada peta ruang di CA1 ketika input CA3 dihilangkan.

Seterusnya, arus elektrik dari neuron individu dan jumlah arus elektrik dari kumpulan neuron yang lebih besar (disebut potensi medan tempatan) dicatat semasa tikus berlari di trek. Para saintis kemudian dapat mengukur setiap kitaran theta, atau masa di mana peta spasial saraf di hippocampus diperbaharui seperti yang ditentukan oleh aktiviti tikus.

Walaupun tikus transgenik tidak mengalami kesulitan dalam melakukan tugas navigasi, dan isyarat neuron tunggal dapat mewakili maklumat spasial dengan tepat, penemuan utamanya adalah terdapat kesalahan yang jelas dalam organisasi isyarat neuron ini pada tingkat populasi global. Analogi sederhana untuk menggambarkan ini adalah bahawa menghilangkan input dari CA3 ke CA1 tidak mengubah "muzik" saraf tetapi sebaliknya menghapus "konduktor".

Kajian ini adalah yang pertama memberi penerangan mengenai rangkaian rangkaian penghubung sel-sel tempat (sejenis neuron hipokampal yang terlibat dalam navigasi spasial) dan bagaimana mereka memperbaharui diri. Lebih khusus lagi, membuang input CA3 akan menghalang kemampuan untuk meramalkan lokasi spasial. Ini menyoroti pentingnya pengaktifan neuron secara berurutan untuk memastikan bahawa kita dapat mengatur kenangan sepanjang masa.

Kita lihat di sini bahawa "orkestra" saraf memerlukan "konduktor" dalam bentuk input CA3, dan bahawa neuron individu di hipokampus tidak cukup untuk menghasilkan peta ruang yang berfungsi. Ini menekankan saling bergantung strategi yang menentukan pengekodan neuron. Terutama, terdapat penurunan ketara dalam osilasi saraf yang khas komunikasi dari CA3 ke CA1. Memandangkan gangguan seperti ini sebelumnya dikaitkan dengan penyakit neurodegeneratif seperti Alzheimer, pekerjaan masa depan ke dalam organisasi irama otak dapat meningkatkan pemahaman tentang bagaimana rangkaian otak diatur dalam penyakit tersebut.

Hilang Hubungan Antara Kenangan Berkaitan Semasa Kita Berusia - Bolehkah Ini Dibalikkan?

Dalam kajian lain, sekumpulan saintis menggunakan mikroskop kecil (dijuluki Miniscope) untuk melihat otak melalui tetingkap miniatur dan menyiasat bagaimana ingatan di otak dihubungkan dari masa ke masa.Walaupun hubungan seperti itu semakin lemah seiring bertambahnya usia, para saintis ini dapat mencipta cara yang memungkinkan kenangan berasingan dihubungkan kembali di otak tikus pertengahan umur. Yang penting, ini mempunyai potensi besar untuk berkembang menjadi rawatan bagi pesakit dengan demensia yang berkaitan dengan usia.

Miniscope yang dipasang di kepala yang digunakan dalam kajian ini memungkinkan para saintis untuk memvisualisasikan tembakan neuron di otak ketika tikus diizinkan bergerak bebas. Tiga kotak unik digunakan untuk kajian ini, dan bahagian pertama kajian melibatkan tikus muda. Di sini, setiap tetikus diletakkan di ketiga-tiganya selama 10 minit setiap sesi. Penempatan di kotak pertama dan kedua dipisahkan selama satu minggu manakala kotak kedua dan ketiga hanya dipisahkan selama lima jam. Selain itu, tetikus diberi kejutan di kotak ketiga.

Selepas dua hari, setiap tetikus dikembalikan ke ketiga kotak tersebut. Tidak mengejutkan, tikus itu membeku dengan ketakutan setelah mengenali ciri-ciri kotak ketiga. Namun, yang menarik ialah tetikus juga membeku ketika diletakkan di kotak kedua walaupun pada hakikatnya tidak ada kejutan yang diberikan sebelumnya. Ini menunjukkan bahawa memori kejutan itu dipindahkan dari kotak ketiga ke pengalaman di kotak kedua yang berlaku lima jam sebelumnya.

Percubaan serupa kemudian dilakukan dengan tikus paruh baya menggunakan dua kotak, jarak lima jam, dan di mana kotak kejutan diberikan. Telah diketahui bahawa tikus yang lebih tua ini hanya membeku di kotak kedua di mana mereka terkejut, dan bukan di kotak pertama. Dalam hal ini, Miniscope mendapati bahawa kedua-dua ingatan itu tidak saling berkaitan dan sebaliknya mempunyai rangkaian saraf yang dikodkan secara berasingan. Lebih mengejutkan, ini menunjukkan bahawa penuaan melemahkan keupayaan neuron untuk bersemangat dan mengekod memori.

Mungkin penemuan yang paling menarik dalam kajian ini adalah bahawa hubungan yang terputus ini sebenarnya dapat diselamatkan. Dalam kumpulan eksperimen berikut, para saintis pertama kali menggerakkan neuron di kawasan hippocampus sebelum meletakkan tikus di kotak pertama. Tikus kemudian diperkenalkan ke kotak pertama dan kedua, di mana kejutan kaki diberikan setelah dua hari. Setelah diperkenalkan semula ke kotak pertama, tikus membeku ketika mereka mengaitkan kejutan di kotak kedua dengan kotak pertama, menyiratkan bahawa peningkatan kegembiraan neuron menyelamatkan kemerosotan berkaitan dengan usia dalam hubungan memori.

Sangat penting untuk diperhatikan bahawa kenangan tidak berlaku secara terpisah dalam kehidupan nyata, memandangkan pengalaman masa lalu mempengaruhi bagaimana kenangan baru terbentuk dan mempengaruhi proses membuat keputusan kita di masa depan. Mudah-mudahan, penyelidikan dalam bidang ini suatu hari dapat membantu orang yang mengalami penurunan kognitif yang berkaitan dengan usia dalam meningkatkan kemampuan mereka untuk menghubungkan dan mengekalkan kenangan.

Rujukan

Cai, D. J., Aharoni, D., Shuman, T., Shobe, J., Biane, J., Song, W.,… Silva, A. J. (2016). Kumpulan ensembel saraf berkongsi kenangan kontekstual yang berbeza yang dikodkan dalam masa terdekat. Alam, 534(7605), 115–118. doi: 10.1038 / alam17955

Feng, T., Silva, D., & Foster, D. J. (2015). Perbezaan antara pengembangan urutan Hippocampal Theta yang bergantung kepada pengalaman dan fasa satu percubaan Precession. Jurnal Neurosains, 35(12), 4890–4902. doi: 10.1523 / jneurosci.2614-14.2015

Middleton, S. J., & McHugh, T. J. (2016). Membungkam CA3 mengganggu pengekodan temporal dalam ensembel CA1. Neurosains Alam. doi: 10.1038 / nn.4311

Moser, E. I., Roudi, Y., Witter, M. P., Kentros, C., Bonhoeffer, T., & Moser, M.-B. (2014). Sel grid dan perwakilan kortikal. Kajian Alam Semula jadi Neurosains, 15(7), 466-481. doi: 10.1038 / nrn3766

Artikel tetamu ini mula-mula muncul di blog kesihatan dan sains pemenang anugerah dan komuniti bertema otak, BrainBlogger: Bagaimana Otak Mengatur Kenangan Sepanjang Masa?