Olet elämäsi lomalla Keniassa ja kuljet savannilla safarilla, ja opas osoittaa oikeallasi elefantteja ja vasemmalla leijonia. Vuosia myöhemmin astut kotikaupunkisi kukkakauppaan ja haistat jotain kuin maisemaa täplittävien sakkalmarikkapuiden kukkia. Kun suljet silmäsi, kauppa katoaa ja palaat Land Roveriin. Hengität sisään syvään, hymyilet onnelliselle muistolle.
Nyt kelataan taaksepäin. Olet elämäsi lomalla Keniassa ja kuljet savannilla safarilla, ja opas osoittaa oikeallasi elefantteja ja vasemmalla leijonia. Silmäkulmasta huomaat sarvikuonon, joka seuraa ajoneuvoa. Yhtäkkiä se ryntää sinua kohti, ja opas huutaa kuljettajalle, että hän painaa kaasua. Adrenaliinin kasvaessa ajattelet: "Näin minä kuolen." Vuosia myöhemmin, kun astut kukkakauppaan, makea kukkaistuoksu saa sinut vapisemaan.
"Aivosi yhdistävät hajun positiivisiin tai negatiivisiin tunteisiin", sanoi Hao Li, tutkijatohtori Salk Institute for Biological Studiesissa Kaliforniassa. Nuo tunteet eivät liity vain muistiin; he ovat osa sitä: Aivot antavat emotionaalisen "valenssin" tiedolle, kun se koodaa sitä, lukitseen kokemukset hyviksi tai huonoiksi muistoiksi.
Ja nyt tiedämme kuinka aivot tekevät sen. Kuten Li ja hänen tiiminsä raportoitu äskettäin in luontoEron hymyn herättävien muistojen ja vapinaa aiheuttavien muistojen välillä määrittää pieni peptidimolekyyli, joka tunnetaan nimellä neurotensiini. He havaitsivat, että kun aivot arvioivat uusia kokemuksia tällä hetkellä, hermosolut säätelevät neurotensiinin vapautumistaan, ja tämä muutos lähettää saapuvan tiedon eri hermopolkuja pitkin koodattavaksi joko positiivisiksi tai negatiivisiksi muistoiksi.
Löytö viittaa siihen, että muistoja luodessaan aivot voivat olla taipuvaisia muistamaan asioita pelokkaasti - evoluution omituisuus, joka on saattanut auttaa pitämään esi-isämme varovaisina.
Löydökset "antavat meille merkittäviä näkemyksiä siitä, kuinka käsittelemme ristiriitaisia tunteita", sanoi Tomás Ryan, Dublinin Trinity Collegen neurotieteilijä, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. Se "on todella haastanut oman ajatteluni siinä, kuinka pitkälle voimme viedä molekyylien ymmärrystä aivopiireistä."
Se avaa myös mahdollisuuksia tutkia ahdistuksen, riippuvuuden ja muiden neuropsykiatristen sairauksien biologisia perusteita, joita saattaa joskus syntyä, kun mekanismin häiriöt johtavat "liian negatiiviseen käsittelyyn", Li sanoi. Teoriassa mekanismin kohdistaminen uusien lääkkeiden avulla voisi olla keino hoitoon.
"Tämä on todella poikkeuksellinen tutkimus", jolla on syvällinen vaikutus psykiatrisiin käsityksiin pelosta ja ahdistuksesta, sanoi Wen Li, Floridan osavaltion yliopiston apulaisprofessori, joka tutkii ahdistuneisuushäiriöiden biologiaa eikä ollut mukana tutkimuksessa.
Vaaralliset marjat
Neurotieteilijät ovat vielä kaukana ymmärtämästä tarkasti, kuinka aivomme koodaavat ja muistavat muistoja - tai unohtavat ne. Valenssimäärittelyä pidetään kuitenkin olennaisena osana emotionaalisesti latautuneiden muistojen muodostusprosessia.
Aivojen kyky tallentaa ympäristön vihjeitä ja kokemuksia hyviksi tai huonoiksi muistoiksi on ratkaisevan tärkeää selviytymisen kannalta. Jos marjan syöminen saa meidät hyvin sairaaksi, vältämme vaistomaisesti sitä marjaa ja kaikkea, mikä siltä näyttää sen jälkeen. Jos marjan syöminen tuottaa herkullista tyydytystä, voimme etsiä lisää. "Jotta voi kyseenalaistaa, lähestyäkö vai välttääkö ärsyke tai esine, sinun on tiedettävä, onko asia hyvä vai huono", Hao Li sanoi.
Muistoja, jotka yhdistävät erilaisia ideoita - kuten "marja" ja "sairaus" tai "nautinto" - kutsutaan assosiatiivisiksi muistoiksi, ja ne ovat usein emotionaalisesti latautuneita. Ne muodostuvat pienelle mantelinmuotoiselle aivoalueelle, jota kutsutaan amygdalaksi. Vaikka amygdala tunnetaan perinteisesti aivojen "pelkokeskuksena", se reagoi myös nautintoon ja muihin tunteisiin.
Yksi amygdalan osa, basolateraalinen kompleksi, yhdistää ympäristössä olevat ärsykkeet positiivisiin tai negatiivisiin tuloksiin. Mutta ei ollut selvää, kuinka se tekee sen vasta muutama vuosi sitten, kun neurotieteilijän johtama ryhmä Massachusetts Institute of Technologyssa Kay Tye havaitsivat jotain merkittävää tapahtuvan hiirten basolateraalisessa amygdalassa, jonka he raportoitu luonto vuonna 2015 ja in Neuroni vuonna 2016.
Tye ja hänen tiiminsä tutkivat hiirten basolateraalista amygdalaa, jotka oppivat yhdistämään äänen joko sokeriveteen tai lievään sähköiskuun ja havaitsivat, että jokaisessa tapauksessa yhteydet eri hermosolujen ryhmään vahvistuivat. Kun tutkijat myöhemmin soittivat äänen hiirille, opitun palkinnon tai rangaistuksen vahvistamat neuronit aktivoituivat, mikä osoitti niiden osallistumista asiaan liittyvään muistiin.
Mutta Tyen tiimi ei voinut kertoa, mikä ohjasi tietoa kohti oikeaa neuroniryhmää. Mikä toimi kytkinoperaattorina?
Dopamiini, välittäjäaine, jonka tiedetään olevan tärkeä palkitsemisen ja rangaistuksen oppimisessa, oli ilmeinen vastaus. Mutta 2019 tutkimus osoitti, että vaikka tämä "hyvän olon" molekyyli pystyi koodaamaan tunteita muistoihin, se ei voinut antaa tunteelle positiivista tai negatiivista arvoa.
Joten ryhmä alkoi tarkastella geenejä, jotka ilmentyvät kahdella alueella, joilla positiivisia ja negatiivisia muistoja muodostuivat, ja tulokset käänsivät huomionsa neuropeptideihin, pieniin monitoimiproteiineihin, jotka voivat hitaasti ja tasaisesti vahvistaa hermosolujen välisiä synaptisia yhteyksiä. He havaitsivat, että yhdellä amygdala-neuroneilla oli enemmän neurotensiinireseptoreita kuin toisessa.
Tämä löytö oli rohkaiseva, koska aikaisempi tutkimus oli osoittanut, että neurotensiini, vain 13 aminohapon pituinen niukka molekyyli, osallistuu palkkion ja rangaistuksen käsittelyyn, mukaan lukien pelkoreaktio. Tyen tiimi päätti selvittää, mitä tapahtuisi, jos he muuttaisivat neurotensiinin määrää hiirten aivoissa.
Pieni molekyyli, jolla on suuri persoonallisuus
Seurasi vuosia hiiren hermosolujen kirurgista ja geneettistä manipulointia ja tuloksena syntyneen käyttäytymisen kirjaamista. "Kun lopetin tohtorintutkintoni, olin tehnyt vähintään 1,000 leikkausta", sanoi Praneeth Namburi, molempien lehtien kirjoittaja ja vuoden 2015 johtaja.
Tänä aikana Tye siirsi kasvavan laboratorionsa eri puolille maata MIT:stä Salk Instituteen. Namburi jäi MIT:ään – hän tutkii nyt, kuinka tanssijat ja urheilijat edustavat tunteita liikkeissään – ja Hao Li liittyi Tyen laboratorioon postdocina, poimiessaan Namburin muistiinpanoja. Pandemia pysäytti projektin entisestään, mutta Hao Li piti sen käynnissä pyytämällä välttämättömän henkilöstön asemaa ja muuttaen periaatteessa laboratorioon, joskus jopa nukkuen siellä. "En tiedä, kuinka hän pysyi niin motivoituneena", Tye sanoi.
Tutkijat tiesivät, että amygdalassa olevat neuronit eivät tuota neurotensiiniä, joten heidän oli ensin selvitettävä, mistä peptidi oli peräisin. Kun he skannasivat aivoja, he löysivät talamuksesta hermosoluja, jotka tuottivat paljon neurotensiiniä ja työnsivät pitkät aksoninsa amygdalaan.
Tyen tiimi opetti sitten hiiret yhdistämään sävyn joko herkkuun tai shokkiin. He havaitsivat, että neurotensiinitasot nousivat amygdalassa palkitsemisen jälkeen ja laskivat rangaistuksen oppimisen jälkeen. Muuttamalla hiirten talamuksen hermosoluja geneettisesti he pystyivät kontrolloimaan, kuinka ja milloin hermosolut vapauttavat neurotensiiniä. Neurotensiinia amygdalaan vapauttavien hermosolujen aktivoiminen edisti palkitsevaa oppimista, kun taas neurotensiinigeenien poistaminen vahvisti rangaistuksen oppimista.
He havaitsivat myös, että valenssien antaminen ympäristön vihjeille edistää aktiivisia käyttäytymisreaktioita niihin. Kun tutkijat estivät amygdalaa saamasta tietoa positiivisesta tai negatiivisesta valenssista tyrmäämällä talamuksen hermosolut, hiiret olivat hitaampia keräämään palkintoja; uhkaavissa tilanteissa hiiret jäätyivät mieluummin kuin juoksivat karkuun.
Mitä näiden tulosten mukaan tapahtuisi, jos valenssinmääritysjärjestelmäsi hajoaisi – vaikka vihainen sarvikuono veloittaa sinua? "Sinä välität vain vähän", Tye sanoi. Välinpitämättömyytesi hetkeä kohtaan tallentuisi muistiin. Ja jos joutuisit samanlaiseen tilanteeseen myöhemmin elämässä, muistisi ei innostaisi sinua yrittämään kiireellisesti paeta, hän lisäsi.
Todennäköisyys, että koko aivopiiri sammuisi, on kuitenkin pieni, sanoi Jeffrey Tasker, Tulane-yliopiston aivoinstituutin professori. On todennäköisempää, että mutaatiot tai muut ongelmat yksinkertaisesti estäisivät mekanismia toimimasta hyvin sen sijaan, että kääntäisivät valenssia. "Minun olisi vaikea nähdä tilannetta, jossa joku näkisi latautuvan tiikerin rakkauden lähestymistavana", hän sanoi.
Hao Li oli samaa mieltä ja huomautti, että aivoissa on todennäköisesti varamekanismeja, jotka tehostavat palkintoja ja rangaistuksia, vaikka ensisijainen valenssijärjestelmä epäonnistuisi. Tämä olisi mielenkiintoinen kysymys tulevassa työssä, hän lisäsi.
Yksi tapa tutkia valenssijärjestelmän vikoja, Tasker totesi, voisi olla tutkia niitä erittäin harvinaisia ihmisiä, jotka eivät ilmoita tuntevansa pelkoa edes tilanteissa, jotka katsotaan rutiininomaisesti pelottaviksi. Useilla epätavallisilla sairauksilla ja vammoilla voi olla tämä vaikutus, kuten Urbach-Wiethen oireyhtymä, joka voi aiheuttaa kalsiumkertymien muodostumista amygdalaan, mikä vaimentaa pelkoreaktiota.
Aivot on pessimisti
Löydökset ovat "melko suuria, mitä tulee pelkopiirin ja amygdalan roolin ymmärtämiseen ja ajatteluun", Wen Li sanoi. Opimme lisää kemikaaleista, kuten neurotensiinistä, jotka ovat vähemmän tunnettuja kuin dopamiini, mutta joilla on tärkeä rooli aivoissa, hän lisäsi.
Työ viittaa siihen mahdollisuuteen, että aivot ovat oletuksena pessimistisiä, Hao Li sanoi. Aivojen täytyy valmistaa ja vapauttaa neurotensiini oppiakseen palkkioista; rangaistusten oppiminen vaatii vähemmän työtä.
Lisää todisteita tästä harhasta tulee hiirten reaktiosta, kun ne asetettiin ensimmäisen kerran oppimistilanteisiin. Ennen kuin he tiesivät, olisivatko uudet assosiaatiot positiivisia vai negatiivisia, neurotensiinin vapautuminen talamuksen hermosoluista väheni. Tutkijat spekuloivat, että uusille ärsykkeille annetaan negatiivisempi valenssi automaattisesti, kunnes niiden konteksti on varmempi ja voi lunastaa ne.
"Olet herkempi negatiivisiin kokemuksiin kuin positiivisiin kokemuksiin", Hao Li sanoi. Jos melkein törmäät autoon, muistat sen todennäköisesti hyvin pitkään, mutta jos syöt jotain herkullista, se muisti todennäköisesti haihtuu muutamassa päivässä.
Ryan on varovaisempi ulottamaan tällaisia tulkintoja ihmisiin. "Olemme tekemisissä laboratoriohiirten kanssa, jotka kasvatetaan erittäin, hyvin köyhissä ympäristöissä ja joilla on hyvin erityinen geneettinen tausta", hän sanoi.
Hänen mukaansa olisi kuitenkin mielenkiintoista määrittää tulevissa kokeissa, onko pelko ihmisen aivojen todellinen oletustila - ja vaihteleeko se eri lajeille tai jopa yksilöille, joilla on erilainen elämänkokemus ja stressitaso.
Löydökset ovat myös loistava esimerkki aivojen integroitumisesta, Wen Li sanoi: Amygdala tarvitsee talamuksen, ja talamus tarvitsee todennäköisesti signaaleja muualta. Olisi mielenkiintoista tietää, mitkä aivojen neuronit syöttävät signaaleja talamukselle, hän sanoi.
A Tuoreen tutkimuksen julkaistu Luonto Viestintä havaitsi, että yksi pelkomuisti voi olla koodattu useammalle kuin yhdelle aivojen alueelle. Se, mitkä piirit ovat mukana, riippuu luultavasti muistista. Esimerkiksi neurotensiini on luultavasti vähemmän tärkeä koodattaessa muistoja, joihin ei liity juurikaan tunteita, kuten "deklatiiviset" muistot, jotka muodostuvat, kun opit sanastoa.
Taskerille Tyen tutkimuksen havaitsema selkeä suhde yhden molekyylin, toiminnon ja käyttäytymisen välillä oli erittäin vaikuttava. "On harvinaista löytää yksi-yhteen suhde signaalin ja käyttäytymisen tai piirin ja toiminnon välillä", Tasker sanoi.
Neuropsykiatriset kohteet
Neurotensiinin ja talamuksen hermosolujen roolien terävyys valenssin määrittämisessä saattaa tehdä niistä ihanteellisia kohteita neuropsykiatristen häiriöiden hoitoon tarkoitetuille lääkkeille. Teoriassa, jos voit korjata valenssitehtävän, saatat pystyä hoitamaan tautia, Hao Li sanoi.
Ei ole selvää, voisivatko neurotensiiniin kohdistuvat terapeuttiset lääkkeet muuttaa jo muodostuneen muistin valenssia. Mutta se on toivo, Namburi sanoi.
Farmakologisesti tämä ei tule olemaan helppoa. "Peptidien kanssa on tunnetusti vaikea työskennellä", Tasker sanoi, koska ne eivät ylitä veri-aivoestettä, joka eristää aivoja vierailta aineilta ja veren kemian vaihteluilta. Mutta se ei ole mahdotonta, ja kohdennettujen lääkkeiden kehittäminen on pitkälti se, mihin ala on menossa, hän sanoi.
Ymmärryksessämme siitä, kuinka aivot määräävät valenssia, on edelleen tärkeitä aukkoja. Ei ole esimerkiksi selvää, mihin reseptoreihin neurotensiini sitoutuu amygdala-hermosoluissa valenssikytkimen kääntämiseksi. "Se vaivaa minua, kunnes se on täynnä", Tye sanoi.
Liian paljon ei myöskään tiedetä, kuinka ongelmalliset valenssitehtävät voivat aiheuttaa ahdistusta, riippuvuutta tai masennusta, sanoi Hao Li, joka nimitettiin äskettäin Northwestern Universityn apulaisprofessoriksi ja aikoo tutkia joitain näistä kysymyksistä lisää uudessa laboratoriossaan. Neurotensiinin lisäksi aivoissa on monia muita neuropeptidejä, jotka ovat mahdollisia interventioiden kohteita, Hao Li sanoi. Emme vain tiedä, mitä he kaikki tekevät. Hän on myös utelias tietämään, kuinka aivot reagoisivat epäselvämpään tilanteeseen, jossa ei ollut selvää, oliko kokemus hyvä vai huono.
Nämä kysymykset viipyvät Hao Lin aivoissa kauan sen jälkeen, kun hän pakkaa tavarat ja menee kotiin yöksi. Nyt kun hän tietää, mikä hänen aivojensa juttelevien solujen verkosto ohjaa hänen tuntemiaan tunteita, hän vitsailee ystäviensä kanssa siitä, että hänen aivonsa pumppaavat ulos neurotensiiniä tai pidättelevät sitä vasteena jokaiselle hyvälle tai huonolle uutiselle.
"On selvää, että tämä on biologiaa, sitä tapahtuu kaikille", hän sanoi. Se "saa minut tuntemaan oloni paremmaksi, kun olen huonolla tuulella".
