Οι αναμνήσεις βοηθούν τους εγκεφάλους να αναγνωρίζουν νέα γεγονότα που αξίζει να θυμόμαστε | Περιοδικό Quanta

Οι αναμνήσεις είναι σκιές του παρελθόντος αλλά και φακοί για το μέλλον.

Οι αναμνήσεις μας μας καθοδηγούν στον κόσμο, συντονίζουν την προσοχή μας και διαμορφώνουν αυτά που μαθαίνουμε αργότερα στη ζωή. Μελέτες σε ανθρώπους και ζώα έχουν δείξει ότι οι αναμνήσεις μπορούν να αλλάξουν τις αντιλήψεις μας για μελλοντικά γεγονότα και την προσοχή που τους δίνουμε. «Γνωρίζουμε ότι η προηγούμενη εμπειρία αλλάζει τα πράγματα», είπε Λόρεν Φρανκ, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο. «Το πώς ακριβώς συμβαίνει αυτό δεν είναι πάντα ξεκάθαρο».

Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Προκαταβολές Επιστήμη τώρα προσφέρει μέρος της απάντησης. Δουλεύοντας με σαλιγκάρια, οι ερευνητές εξέτασαν πώς οι παγιωμένες μνήμες έκαναν τα ζώα πιο πιθανό να σχηματίσουν νέες μακροπρόθεσμες αναμνήσεις σχετικών μελλοντικών γεγονότων που διαφορετικά θα είχαν αγνοήσει. Ο απλός μηχανισμός που ανακάλυψαν το έκανε αυτό αλλάζοντας την αντίληψη ενός σαλιγκαριού για αυτά τα γεγονότα.

Οι ερευνητές εξέτασαν το φαινόμενο του πώς η προηγούμενη μάθηση επηρεάζει τη μελλοντική μάθηση «σε ένα μόνο κύτταρο», είπε Ντέιβιντ Γκλάνζμαν, κυτταρικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Το ονόμασε ένα ελκυστικό παράδειγμα «χρήσης ενός απλού οργανισμού για την προσπάθεια κατανόησης φαινομένων συμπεριφοράς που είναι αρκετά περίπλοκα».

Αν και τα σαλιγκάρια είναι αρκετά απλά πλάσματα, η νέα γνώση φέρνει τους επιστήμονες ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση της νευρωνικής βάσης της μακροπρόθεσμης μνήμης σε ζώα ανώτερης τάξης όπως οι άνθρωποι.

Αν και συχνά δεν γνωρίζουμε την πρόκληση, ο σχηματισμός μακροπρόθεσμης μνήμης είναι «μια απίστευτα ενεργητική διαδικασία», είπε. Michael Crossley, ανώτερος ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Sussex και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης. Τέτοιες μνήμες εξαρτώνται από τη δημιουργία πιο ανθεκτικών συναπτικών συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων και τα εγκεφαλικά κύτταρα πρέπει να στρατολογήσουν πολλά μόρια για να το κάνουν αυτό. Για τη διατήρηση των πόρων, ένας εγκέφαλος πρέπει επομένως να είναι σε θέση να διακρίνει πότε αξίζει το κόστος για να σχηματίσει μια μνήμη και πότε όχι. Αυτό ισχύει είτε είναι ο εγκέφαλος ενός ανθρώπου είτε ο εγκέφαλος ενός «μικρού σαλιγκαριού με περιορισμένο ενεργειακό προϋπολογισμό», είπε.

Σε μια πρόσφατη βιντεοκλήση, ο Crossley σήκωσε ένα τέτοιο σαλιγκάρι, στο μέγεθος του αντίχειρα Λυμναία μαλάκιο με εγκέφαλο που αποκάλεσε «όμορφο». Ενώ ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει 86 δισεκατομμύρια νευρώνες, ο εγκέφαλος του σαλιγκαριού έχει μόνο 20,000 — αλλά κάθε νευρώνας του είναι 10 φορές μεγαλύτερος από τον δικό μας και πολύ πιο προσβάσιμος για μελέτη. Αυτοί οι γιγάντιοι νευρώνες και τα καλά χαρτογραφημένα κυκλώματα του εγκεφάλου τους έχουν κάνει τα σαλιγκάρια αγαπημένο θέμα για έρευνα νευροβιολογίας.

Οι μικροσκοπικοί τροφοσυλλέκτες είναι επίσης «εξαιρετικοί μαθητές» που μπορούν να θυμηθούν κάτι μετά από μία μόνο έκθεση σε αυτό, είπε ο Crossley. Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές κοίταξαν βαθιά τον εγκέφαλο των σαλιγκαριών για να καταλάβουν τι συνέβη σε νευρολογικό επίπεδο όταν αποκτούσαν αναμνήσεις.

Καταπραϋντικές αναμνήσεις

Στα πειράματά τους, οι ερευνητές έδωσαν στα σαλιγκάρια δύο μορφές εκπαίδευσης: δυνατά και αδύναμα. Κατά τη διάρκεια της έντονης προπόνησης, πρώτα ψέκασαν τα σαλιγκάρια με νερό με γεύση μπανάνας, το οποίο τα σαλιγκάρια αντιμετώπιζαν ως ουδέτερο ως προς την ελκυστικότητά του: Κατάπιναν μερικά αλλά μετά έφτυναν μερικά από αυτά. Στη συνέχεια, η ομάδα έδωσε στα σαλιγκάρια ζάχαρη, την οποία καταβρόχθισαν μανιωδώς.

Όταν δοκίμασαν τα σαλιγκάρια όσο και μια μέρα αργότερα, τα σαλιγκάρια έδειξαν ότι είχαν μάθει να συνδέουν τη γεύση της μπανάνας με τη ζάχαρη από αυτή τη μοναδική εμπειρία. Τα σαλιγκάρια φαινόταν να αντιλαμβάνονται τη γεύση ως πιο επιθυμητή: Ήταν πολύ πιο πρόθυμα να καταπιούν το νερό.

Αντίθετα, τα σαλιγκάρια δεν έμαθαν αυτόν τον θετικό συσχετισμό από μια αδύναμη προπόνηση, στην οποία ένα μπάνιο με γεύση καρύδας ακολουθήθηκε από μια πολύ πιο αραιωμένη απόλαυση ζάχαρης. Τα σαλιγκάρια συνέχισαν και να καταπίνουν και να φτύνουν το νερό.

Μέχρι στιγμής, το πείραμα ήταν ουσιαστικά μια εκδοχή με σαλιγκάρι των διάσημων πειραμάτων προετοιμασίας του Pavlov, στα οποία τα σκυλιά μάθαιναν να κάνουν σάλια όταν άκουγαν τον ήχο ενός κουδουνιού. Στη συνέχεια, όμως, οι επιστήμονες εξέτασαν τι συνέβη όταν έδωσαν στα σαλιγκάρια μια δυνατή προπόνηση με άρωμα μπανάνας που ακολουθήθηκε ώρες αργότερα από μια αδύναμη προπόνηση με άρωμα καρύδας. Ξαφνικά και τα σαλιγκάρια έμαθαν από την αδύναμη εκπαίδευση.

Όταν οι ερευνητές άλλαξαν τη σειρά και έκαναν πρώτα την αδύναμη εκπαίδευση, και πάλι απέτυχε να μεταδώσει μνήμη. Τα σαλιγκάρια εξακολουθούσαν να σχημάτιζαν μια ανάμνηση της δυνατής προπόνησης, αλλά αυτό δεν είχε αναδρομική επίδραση ενίσχυσης στην προηγούμενη εμπειρία. Η εναλλαγή των γεύσεων που χρησιμοποιούνται στις δυνατές και αδύναμες προπονήσεις δεν είχε επίσης κανένα αποτέλεσμα.

Οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η δυνατή εκπαίδευση ώθησε τα σαλιγκάρια σε μια περίοδο «πλούσια σε μάθηση» κατά την οποία το κατώφλι για το σχηματισμό μνήμης ήταν χαμηλότερο, επιτρέποντάς τους να μάθουν πράγματα που διαφορετικά δεν θα είχαν (όπως η αδύναμη σχέση προπόνησης μεταξύ γεύσης και γεύσης και αραιή ζάχαρη). Ένας τέτοιος μηχανισμός θα μπορούσε να βοηθήσει τον εγκέφαλο να κατευθύνει τους πόρους προς τη μάθηση σε κατάλληλες στιγμές. Η τροφή θα μπορούσε να κάνει τα σαλιγκάρια πιο προσεκτικά για πιθανές πηγές τροφής κοντά. βούρτσες με κίνδυνο θα μπορούσαν να οξύνουν την ευαισθησία τους στις απειλές.

Ωστόσο, η επίδραση στα σαλιγκάρια ήταν φευγαλέα. Η πλούσια σε μάθηση περίοδος διήρκεσε μόνο για 30 λεπτά έως τέσσερις ώρες μετά την έντονη προπόνηση. Μετά από αυτό, τα σαλιγκάρια σταμάτησαν να σχηματίζουν μακροπρόθεσμες αναμνήσεις κατά τη διάρκεια της αδύναμης προπόνησης, και δεν ήταν επειδή είχαν ξεχάσει την έντονη προπόνησή τους - η ανάμνηση αυτή παρέμεινε για μήνες.

Η ύπαρξη ενός κρίσιμου παραθύρου για βελτιωμένη μάθηση είναι λογικό γιατί αν η διαδικασία δεν απενεργοποιηθεί, «αυτό θα μπορούσε να είναι επιζήμιο για το ζώο», είπε ο Crossley. Όχι μόνο μπορεί το ζώο να επενδύσει πάρα πολλούς πόρους στη μάθηση, αλλά θα μπορούσε να μάθει συσχετισμούς επιβλαβείς για την επιβίωσή του.

Αλλοιωμένες Αντιλήψεις

Ανιχνεύοντας με ηλεκτρόδια, οι ερευνητές ανακάλυψαν τι συμβαίνει μέσα στον εγκέφαλο ενός σαλιγκαριού όταν σχηματίζει μακροπρόθεσμες αναμνήσεις από τις προπονήσεις. Συμβαίνουν δύο παράλληλες τροποποιήσεις στην εγκεφαλική δραστηριότητα. Το πρώτο κωδικοποιεί την ίδια τη μνήμη. Το δεύτερο «εμπλέκεται καθαρά στην αλλαγή της αντίληψης του ζώου για άλλα γεγονότα», είπε ο Crossley. «Αλλάζει τον τρόπο που βλέπει τον κόσμο με βάση τις προηγούμενες εμπειρίες του».

Βρήκαν επίσης ότι θα μπορούσαν να προκαλέσουν την ίδια αλλαγή στην αντίληψη των σαλιγκαριών μπλοκάροντας τις επιδράσεις της ντοπαμίνης, της χημικής ουσίας του εγκεφάλου που παράγεται από τον νευρώνα που ενεργοποίησε τη συμπεριφορά του φτυσίματος. Στην πραγματικότητα, αυτό έκανε τον νευρώνα για φτύσιμο και άφησε τον νευρώνα για συνεχή κατάποση. Η εμπειρία είχε το ίδιο αποτέλεσμα μεταφοράς που είχε η δυνατή προπόνηση στα προηγούμενα πειράματα: Ώρες αργότερα, τα σαλιγκάρια σχημάτισαν μια μακροπρόθεσμη μνήμη της αδύναμης προπόνησης.

Οι ερευνητές χαρτογραφούν διεξοδικά και κομψά τη διαδικασία από τη «συμπεριφορά στα ηλεκτροφυσιολογικά ερείσματα αυτής της αλληλεπίδρασης μεταξύ του παρελθόντος και των νέων αναμνήσεων», είπαν. Πέδρο Τζέικομπ, μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης που δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Η γνώση του πόσο μηχανιστικά συμβαίνει αυτό είναι ενδιαφέρον γιατί πιθανότατα διατηρείται σε όλα τα είδη."

Ο Frank, ωστόσο, δεν είναι πλήρως πεπεισμένος ότι η αποτυχία των σαλιγκαριών να καταπιούν αρωματισμένο νερό μετά την αδύναμη εκπαίδευση σημαίνει ότι δεν έφεραν καμία ανάμνηση από αυτό. Μπορείς να έχεις μνήμη αλλά να μην ενεργείς σύμφωνα με αυτήν, είπε, οπότε η διάκριση αυτή μπορεί να απαιτεί πειράματα παρακολούθησης.

Οι μηχανισμοί πίσω από τη μάθηση και τη μνήμη είναι εκπληκτικά παρόμοιοι στα μαλάκια και στα θηλαστικά όπως ο άνθρωπος, είπε ο Glanzman. Από όσο γνωρίζουν οι συγγραφείς, αυτός ο ακριβής μηχανισμός δεν έχει αποδειχθεί στους ανθρώπους, είπε ο Crossley. «Μπορεί να είναι ένα ευρέως διατηρημένο χαρακτηριστικό και επομένως αξίζει περισσότερη προσοχή», είπε.

Θα ήταν ενδιαφέρον να μελετήσουμε εάν μια αλλαγή στην αντίληψη θα μπορούσε να γίνει πιο μόνιμη, είπε ο Glanzman. Υποψιάζεται ότι αυτό μπορεί να είναι δυνατό αν δοθεί στα σαλιγκάρια ένα αποτρεπτικό ερέθισμα, κάτι που τα κάνει να αρρωσταίνουν αντί για κάτι που τους αρέσει.

Προς το παρόν, ο Crossley και η ομάδα του είναι περίεργοι για το τι συμβαίνει στον εγκέφαλο αυτών των σαλιγκαριών όταν εκτελούν πολλαπλές συμπεριφορές, όχι απλώς ανοίγοντας ή κλείνοντας το στόμα τους. «Αυτά είναι αρκετά συναρπαστικά πλάσματα», είπε ο Crossley. «Δεν περιμένεις πραγματικά από αυτά τα ζώα να είναι σε θέση να κάνουν αυτού του είδους τις πολύπλοκες διαδικασίες».

Σημείωση του συντάκτη: Η Λόρεν Φρανκ είναι ερευνήτρια στην Πρωτοβουλία Έρευνας για τον Αυτισμό (SFARI) του Ιδρύματος Simons. Το Ίδρυμα Simons χρηματοδοτεί επίσης Quanta ως εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης δεν επηρεάζουν την κάλυψή μας.