Erindringer hjælper hjerner med at genkende nye begivenheder, der er værd at huske | Quanta Magasinet

Erindringer er skygger fra fortiden, men også lommelygter for fremtiden.

Vores erindringer leder os gennem verden, tuner vores opmærksomhed og former, hvad vi lærer senere i livet. Mennesker og dyreforsøg har vist, at minder kan ændre vores opfattelse af fremtidige begivenheder og den opmærksomhed, vi giver dem. "Vi ved, at tidligere erfaringer ændrer ting," sagde Loren Frank, neuroforsker ved University of California, San Francisco. "Hvordan det præcist sker, er ikke altid klart."

En ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Science Forskud giver nu en del af svaret. Ved at arbejde med snegle undersøgte forskere, hvordan etablerede minder gjorde dyrene mere tilbøjelige til at danne nye langsigtede minder om relaterede fremtidige begivenheder, som de ellers kunne have ignoreret. Den simple mekanisme, som de opdagede, gjorde dette ved at ændre en snegls opfattelse af disse begivenheder.

Forskerne tog fænomenet med, hvordan tidligere læring påvirker fremtidig læring "ned til en enkelt celle," sagde David Glanzman, en cellebiolog ved University of California, Los Angeles, som ikke var involveret i undersøgelsen. Han kaldte det et attraktivt eksempel "på at bruge en simpel organisme til at forsøge at få forståelse for adfærdsfænomener, der er ret komplekse."

Selvom snegle er ret simple væsner, bringer den nye indsigt forskerne et skridt tættere på at forstå det neurale grundlag for langtidshukommelse hos højere-ordens dyr som mennesker.

Selvom vi ofte ikke er opmærksomme på udfordringen, er langtidshukommelsesdannelse "en utrolig energisk proces," sagde Michael Crossley, en seniorforsker ved University of Sussex og hovedforfatteren af ​​det nye studie. Sådanne minder afhænger af, at vi skaber mere holdbare synaptiske forbindelser mellem neuroner, og hjerneceller skal rekruttere en masse molekyler for at gøre det. For at spare ressourcer skal en hjerne derfor være i stand til at skelne, hvornår det er prisen værd at danne en hukommelse, og hvornår det ikke er det. Det er sandt, uanset om det er hjernen af ​​et menneske eller hjernen af ​​en "lille snegl på et stramt energisk budget," sagde han.

På et nyligt videoopkald rakte Crossley en sådan snegl frem, en tommelfinger-størrelse Lymnaea bløddyr med en hjerne, han kaldte "smuk". Mens en menneskelig hjerne har 86 milliarder neuroner, har sneglens kun 20,000 - men hver af dens neuroner er 10 gange større end vores og meget mere tilgængelige for undersøgelse. Disse gigantiske neuroner og deres velkortlagte hjernekredsløb har gjort sneglene til et yndet emne for neurobiologisk forskning.

De små fodermænd er også "bemærkelsesværdige elever", der kan huske noget efter en enkelt eksponering for det, sagde Crossley. I det nye studie kiggede forskerne dybt ind i sneglenes hjerner for at finde ud af, hvad der skete på det neurologiske niveau, da de tilegnede sig minder.

lokkende minder

I deres forsøg gav forskerne sneglene to former for træning: stærk og svag. Under stærk træning sprøjtede de først sneglene med vand med banansmag, som sneglene behandlede som neutrale i sin appel: De ville sluge nogle, men så spytte noget af det ud. Så gav holdet sneglene sukker, som de slugte ivrigt.

Da de testede sneglene så meget som en dag senere, viste sneglene, at de havde lært at forbinde banansmagen med sukkeret fra den enkelte oplevelse. Sneglene så ud til at opfatte smagen som mere ønskværdig: De var meget mere villige til at sluge vandet.

I modsætning hertil lærte sneglene ikke denne positive association af et svagt træningspas, hvor et bad smagt til med kokos blev efterfulgt af en meget mere fortyndet sukkerhygge. Sneglene fortsatte med både at sluge og spytte vandet ud.

Indtil videre var eksperimentet i det væsentlige en snegleversion af Pavlovs berømte konditionseksperimenter, hvor hunde lærte at savle, når de hørte lyden af ​​en klokke. Men så kiggede forskerne på, hvad der skete, da de gav sneglene en stærk træning med banansmag efterfulgt timer senere af en svag træning med kokossmag. Pludselig lærte sneglene også af den svage træning.

Da forskerne skiftede rækkefølgen og lavede den svage træning først, lykkedes det igen ikke at give en hukommelse. Sneglene dannede stadig et minde om den stærke træning, men det havde ikke en tilbagevirkende styrkende effekt på den tidligere oplevelse. At bytte de smagsvarianter der blev brugt i de stærke og svage træninger havde heller ingen effekt.

Forskerne konkluderede, at den stærke træning skubbede sneglene ind i en "læringsrig" periode, hvor tærsklen for hukommelsesdannelse var lavere, hvilket gjorde dem i stand til at lære ting, de ellers ikke ville have (såsom den svage træningsforbindelse mellem en smag og fortyndet sukker). En sådan mekanisme kunne hjælpe hjernen med at rette ressourcer mod læring på passende tidspunkter. Mad kunne gøre sneglene mere opmærksomme på potentielle fødekilder i nærheden; børster med fare kunne skærpe deres følsomhed over for trusler.

Virkningen på sneglene var dog flygtig. Den læringsrige periode varede kun 30 minutter til fire timer efter den stærke træning. Herefter holdt sneglene op med at danne langtidsminder under den svage træningssession, og det var ikke fordi de havde glemt deres stærke træning – mindet om det holdt ved i flere måneder.

At have et kritisk vindue for forbedret læring giver mening, for hvis processen ikke slukkede, "kan det være skadeligt for dyret," sagde Crossley. Ikke alene kan dyret derefter investere for mange ressourcer i læring, men det kan også lære associationer, der er skadelige for dets overlevelse.

Ændrede opfattelser

Ved at sondere med elektroder fandt forskerne ud af, hvad der sker inde i en snegles hjerne, når den danner langtidsminder fra træningerne. To parallelle justeringer i hjerneaktivitet forekommer. Den første koder selve hukommelsen. Den anden er "rent involveret i at ændre dyrets opfattelse af andre begivenheder," sagde Crossley. Det "ændrer den måde, det ser verden på, baseret på dets tidligere erfaringer."

De fandt også ud af, at de kunne fremkalde det samme skift i sneglenes opfattelse ved at blokere virkningerne af dopamin, hjernekemikaliet produceret af neuronen, der aktiverede spytteadfærden. I virkeligheden vendte det neuronen til at spytte af og efterlod neuronen til at sluge konstant. Oplevelsen havde den samme overførselseffekt, som stærk træning havde i de tidligere eksperimenter: Timer senere dannede sneglene en langtidshukommelse om den svage træning.

Forskerne kortlægger grundigt og elegant processen fra "adfærden til den elektrofysiologiske underbygning af denne interaktion mellem tidligere og nye minder," sagde forskerne. Pedro Jacob, en postdoc ved University of Oxford, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Det er interessant at have viden om, hvor mekanistisk dette sker, fordi det sandsynligvis er bevaret på tværs af arter."

Frank er dog ikke helt overbevist om, at sneglenes manglende evne til at indtage vand med smag efter den svage træning betyder, at de ikke har nogen hukommelse fra det. Du kan have en hukommelse, men ikke handle på den, sagde han, så det kan kræve opfølgende eksperimenter at lave den sondring.

Mekanismerne bag indlæring og hukommelse er overraskende ens i bløddyr og pattedyr som mennesker, sagde Glanzman. Så vidt forfatterne ved, er denne nøjagtige mekanisme ikke blevet vist hos mennesker, sagde Crossley. "Det kan være et bredt bevaret træk og derfor en, der fortjener yderligere opmærksomhed," sagde han.

Det ville være interessant at undersøge, om et skift i opfattelsen kunne gøres mere permanent, sagde Glanzman. Han har mistanke om, at det kan lade sig gøre, hvis sneglene får en afersiv stimulus, noget der gør dem syge i stedet for noget, de kan lide.

For nu er Crossley og hans team nysgerrige efter, hvad der sker i hjernen på disse snegle, når de udfører flere adfærd, ikke bare åbner eller lukker deres mund. "Det er ret fascinerende væsner," sagde Crossley. "Du forventer ikke rigtig, at disse dyr kan udføre den slags komplekse processer."

Redaktørens note: Loren Frank er efterforsker ved Simons Fondens Autism Research Initiative (SFARI). Simons Fonden finansierer også Quanta som et redaktionelt uafhængigt blad. Finansieringsbeslutninger har ingen indflydelse på vores dækning.