Erindringer er kræsne. Jeg har været på turné i Atlanterhavet i Canada i de sidste tre uger, og allerede min erindring om turen – datoer, steder, mad, eventyr – stemmer ikke overens med nåle på Google Maps eller dagbogsposter. Min hjerne lærte nye oplevelser og kodede minder – bare ikke stærkt nok til at holde en uge.
Hukommelsesretention bliver værre med alderen. For mennesker med hjerneskader, såsom fra et slagtilfælde eller fysisk traume i hjernen, kan funktionsnedsættelsen være fuldstændig invaliderende. Hvad hvis der var en måde at kunstigt booste hjernens evne til at bevare minder?
Ideen lyder som en Black Mirror episode. Men denne måned, en ny undersøgelse in Grænser inden for human neurovidenskab gav nogle af de første beviser på, at en "hukommelsesprotese" er mulig hos mennesker. Protesen er ikke en enhed; snarere er det en serie af elektroder implanteret inde i hippocampus - en struktur begravet dybt inde i hjernen, som er afgørende for episodiske minder - som koder for hvornår, hvor og hvad af vores daglige oplevelser.
Opsætningen er afhængig af et fuldstændig uromantisk syn på hukommelsen. I stedet for bølgerne af rige, detaljerede, følelsesmæssige minder som oversvømmer vores hjerner, hævder det, at minder simpelthen er elektriske signaler, der genereres af en velreguleret neural motorvej inde i hippocampus. Hvis vi kan fange disse signaler, mens en person lærer, så kunne vi i teorien afspille optagelserne tilbage til hjernen – i form af elektriske zaps – og potentielt booste netop den hukommelse.
Holdet byggede videre på deres tidligere arbejde med at udvikle hukommelsesproteser. Hos mennesker med epilepsi viste de, at ved at genindføre neurale signaler, der koder for én type hukommelse i en specifik opgave, øgede zaps tilbagekaldelsen med over 50 procent.
Undersøgelsen involverede en lille kohorte. Men utroligt nok viste de, der led af tidligere hukommelsestab, de bedste forbedringer.
For at være klar, udviklede holdet ikke et videokamera til hukommelse. Systemet efterligner delvist hippocampus' normale proces for hukommelseskodning og genkaldelse, som kan være notorisk subjektiv og noget upålidelig. En lignende hukommelsesprotese fungerer måske ikke godt i den virkelige verden, hvor vi konstant bliver bombarderet med nye oplevelser og erindringer.
Når det er sagt, viser undersøgelsen en måde at hjælpe mennesker med demens, Alzheimers eller andre årsager til hukommelsestab med at bevare uddrag af deres liv, som ellers kunne gå tabt.
"Det er et glimt ind i fremtiden af, hvad vi måske kan gøre for at genoprette hukommelsen," sagde Dr. Kim Shapiro ved University of Birmingham, som ikke var involveret i undersøgelsen, til MIT Technology Review.
Hvordan virker det?
Det hele kommer ned til de elektriske impulser, der omgiver hippocampus og inde i den.
Lad os zoome ind. Hippocampus, en søhesteformet struktur, beskrives ofte som et monolitisk knudepunkt for minder. Men - indsæt madanalogi - snarere end en ensartet ostblok, er det mere som en ostedip i flere lag, med elektriske impulser, der strømmer gennem forskellige lag, mens den koder, bevarer og genkalder minder.
For hukommelsesprotesen fokuserede holdet på to specifikke regioner: CA1 og CA3, som danner et stærkt sammenkoblet neuralt kredsløb. Årtiers arbejde med gnavere, primater og mennesker har peget på denne neurale motorvej som kernen for kodning af minder.
Holdmedlemmerne, ledet af Drs. Dong Song fra University of Southern California og Robert Hampson ved Wake Forest School of Medicine er ikke fremmede for hukommelsesproteser. Med "hukommelsesbioingeniøren" Dr. Theodore Berger – som har arbejdet på at kapre CA3-CA1-kredsløbet til forbedring af hukommelsen i over tre årtier – havde drømmeholdet deres første succes hos mennesker i 2015.
Den centrale idé er enkel: repliker hippocampus' signaler med en digital erstatning. Det er ikke nogen nem opgave. I modsætning til computerkredsløb er neurale kredsløb ikke-lineære. Det betyder, at signaler ofte er ekstremt støjende og overlapper i tid, hvilket styrker - eller hæmmer - neurale signaler. Som Berger sagde dengang: "Det er en kaotisk sort boks."
For at knække hukommelseskoden udarbejdede teamet to algoritmer. Den første, kaldet memory decoding model (MDM), tager et gennemsnit af de elektriske mønstre på tværs af flere mennesker, når de danner minder. Den anden, kaldet multi-input, multi-output (MIMO), er en smule mere sofistikeret, da den inkorporerer både input og output elektriske mønstre - det vil sige CA3-CA1 kredsløbet - og efterligner disse signaler i både rum og timing. I teorien burde pulsering af begge elektriske signaler baseret på MDM og MIMO tilbage i hippocampus give det et boost.
I en række eksperimenter, først hos rotter , aber, så i sunde mennesker, fandt holdet ud af, at deres hukommelsesproteser kunne forbedre hukommelsen, når neurale kredsløb blev midlertidigt forstyrret, såsom med stoffer. Men at omgå skadede kredsløb er ikke nok - det, de ønskede, var en ægte hukommelsesprotese, der kunne erstatte hippocampus hvis beskadiget.
A Whole New World
Den nye undersøgelse nyder godt af en værdifuld neurovidenskabsressource: mennesker med epilepsi, som har elektroder implanteret i hukommelsesrelaterede områder af deres hjerner. Implantaterne, dybt inde i hjernen, hjælper neurokirurger med at spore kilden til folks anfald. Blandt de 25 udvalgte deltagere udviste nogle ikke andre symptomer end epilepsi, mens andre havde milde til moderate hjerneskader.
Her er testen. Deltagerne fik vist et billede på en skærm, og efter en forsinkelse fik de vist det samme billede med op til syv forskellige alternativer. Deres mål var at udvælge det velkendte billede. Hver deltager cyklede hurtigt gennem 100-150 forsøg, hvor deres hippocampale aktivitet blev registreret for at fange deres korttidshukommelse.
Efter mindst 15 minutter fik deltagerne vist 3 billeder og bedt om at rangere kendskabet til hver. Det er en vanskelig opgave: et var et eksempelbillede fra retssagen, et andet et alternativ, der virkede velkendt, og et aldrig tidligere set. Dette var beregnet til at fange deres langtidshukommelse.
Blink fremad. En dag mellem at fjerne elektroderne, gennemgik deltagerne endnu en runde med hukommelsestests svarende til dem før. Nogle mennesker modtog elektrisk stimulation baseret på deres egne neurale signaler, behandlet af enten MDM- eller MIMO-algoritmen. Andre blev zappet med tilfældige pulser. Den sidste gruppe modtog ingen stimulering overhovedet.
Samlet set øgede stimulering af hjernen hos mennesker med epilepsi hukommelsesydelsen med omkring 15 procent. De pulserede med MDM - som bruger de gennemsnitlige elektriske signaler - havde et sølle løft på 13.8 procent. I modsætning hertil fik MIMO-modellen, som efterligner neurale signaler fra hver hippocampi, deres ydeevne forbedret med 36 procent.
"Uanset baseline-hukommelsesfunktion (svækket vs. normal), producerer MIMO-modellen mindst dobbelt så meget facilitering sammenlignet med MDM-modellen," sagde teamet.
Den lange vej forude
Selvom det lover, er undersøgelsen blot det næste lille skridt mod en hippocampus-protese. Fordi deltagerne fik fjernet deres elektroder efter den anden test, ved vi ikke, om - og heller ikke hvor længe - virkningerne varede, eller om kontinuerlig stimulering er nødvendig.
Mens en hukommelsesprotese kan gavne mennesker med Alzheimers, skal mange flere detaljer udslettes. Elektrodeopsætningen her er relativt grov - ville et mikroarray eller en ikke-invasiv enhed være mulig? Hvis ja, skal enheden være tændt 24/7? Når alt kommer til alt, husker vi ikke alle vores minder – der er en slags synaptisk "udrensning", som menes at forekomme under søvn.
Indtil videre er teknologien langt fra klar til klinisk brug. Men det er et glimt af, hvad der kunne være. I det mindste viser undersøgelsen, at der ligner en hjernekontrolleret protese, en hukommelseschip er ikke umulig for folk, der har mest brug for den.
