Herinneringen helpen hersenen nieuwe gebeurtenissen te herkennen die het waard zijn om te onthouden | Quanta-tijdschrift

Herinneringen zijn schaduwen van het verleden maar ook zaklampen voor de toekomst.

Onze herinneringen leiden ons door de wereld, stemmen onze aandacht af en geven vorm aan wat we later in ons leven leren. Studies bij mensen en dieren hebben aangetoond dat herinneringen onze perceptie van toekomstige gebeurtenissen en de aandacht die we eraan geven kunnen veranderen. "We weten dat ervaringen uit het verleden dingen veranderen," zei Loren Frank, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Californië, San Francisco. “Hoe dat precies gebeurt, is niet altijd duidelijk.”

Een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap Advances biedt nu een deel van het antwoord. Door met slakken te werken, onderzochten onderzoekers hoe gevestigde herinneringen ervoor zorgden dat de dieren meer kans maakten om nieuwe langetermijnherinneringen te vormen van gerelateerde toekomstige gebeurtenissen die ze anders misschien hadden genegeerd. Het eenvoudige mechanisme dat ze ontdekten deed dit door de perceptie van een slak van die gebeurtenissen te veranderen.

De onderzoekers namen het fenomeen van hoe leren in het verleden het leren in de toekomst beïnvloedt "naar een enkele cel", aldus de onderzoekers David Glanzman, een celbioloog aan de Universiteit van Californië, Los Angeles die niet betrokken was bij het onderzoek. Hij noemde het een aantrekkelijk voorbeeld "van het gebruik van een eenvoudig organisme om inzicht te krijgen in gedragsverschijnselen die vrij complex zijn."

Hoewel slakken vrij eenvoudige wezens zijn, brengt het nieuwe inzicht wetenschappers een stap dichter bij het begrijpen van de neurale basis van het langetermijngeheugen bij dieren van hogere orde, zoals mensen.

Hoewel we ons vaak niet bewust zijn van de uitdaging, is de vorming van langetermijngeheugen "een ongelooflijk energetisch proces", zei hij Michaël Kruisley, een senior research fellow aan de Universiteit van Sussex en de hoofdauteur van de nieuwe studie. Zulke herinneringen zijn afhankelijk van het smeden van duurzamere synaptische verbindingen tussen neuronen, en hersencellen moeten veel moleculen rekruteren om dat te doen. Om hulpbronnen te sparen, moeten de hersenen daarom kunnen onderscheiden wanneer het de kosten waard is om een ​​herinnering te vormen en wanneer niet. Dat is waar, of het nu gaat om de hersenen van een mens of de hersenen van een "kleine slak met een beperkt energetisch budget", zei hij.

Tijdens een recent videogesprek stak Crossley zo'n slak uit, ter grootte van een duim Lymnaea weekdier met hersenen die hij 'mooi' noemde. Terwijl een menselijk brein 86 miljard neuronen heeft, heeft dat van de slak er slechts 20,000 - maar elk van zijn neuronen is 10 keer groter dan de onze en veel toegankelijker voor studie. Die gigantische neuronen en hun goed in kaart gebrachte hersencircuits hebben van de slakken een favoriet onderwerp gemaakt voor neurobiologisch onderzoek.

De kleine verzamelaars zijn ook "opmerkelijke leerlingen" die zich iets kunnen herinneren na een enkele blootstelling eraan, zei Crossley. In de nieuwe studie keken de onderzoekers diep in de hersenen van de slakken om erachter te komen wat er op neurologisch niveau gebeurde toen ze herinneringen opdeden.

Herinneringen overhalen

In hun experimenten gaven de onderzoekers de slakken twee vormen van training: sterk en zwak. Tijdens een sterke training besproeiden ze de slakken eerst met water met bananensmaak, dat de slakken als neutraal beschouwden in zijn aantrekkingskracht: ze slikten wat in maar spuugden er vervolgens een deel van uit. Daarna gaf het team de slakken suiker, die ze gretig opslokten.

Toen ze de slakken maar liefst een dag later testten, lieten de slakken zien dat ze uit die ene ervaring de bananensmaak hadden leren associëren met de suiker. De slakken leken de smaak als meer wenselijk te ervaren: ze waren veel meer bereid om het water door te slikken.

De slakken leerden deze positieve associatie daarentegen niet van een zwakke trainingssessie, waarin een bad op smaak gebracht met kokos werd gevolgd door een veel meer verdunde suikertraktatie. De slakken bleven het water slikken en uitspugen.

Tot nu toe was het experiment in wezen een slakkenversie van Pavlov's beroemde conditioneringsexperimenten waarin honden leerden kwijlen als ze het geluid van een bel hoorden. Maar toen keken de wetenschappers naar wat er gebeurde als ze de slakken een sterke training met bananensmaak gaven, uren later gevolgd door een zwakke training met kokossmaak. Plots leerden de slakken ook van de zwakke training.

Toen de onderzoekers de volgorde omwisselden en eerst de zwakke training deden, slaagde het er opnieuw niet in een herinnering over te brengen. De slakken vormden nog wel een herinnering aan de sterke training, maar dat had geen versterkend effect met terugwerkende kracht op de eerdere ervaring. Ook het verwisselen van de gebruikte smaken in de sterke en zwakke trainingen had geen effect.

De wetenschappers concludeerden dat de sterke training de slakken in een "leerrijke" periode duwde waarin de drempel voor geheugenvorming lager was, waardoor ze dingen konden leren die ze anders niet zouden hebben (zoals de zwak-trainingsassociatie tussen een smaak en verdunde suiker). Zo'n mechanisme zou de hersenen kunnen helpen middelen op geschikte tijden te richten op leren. Voedsel kan de slakken alerter maken voor mogelijke voedselbronnen in de buurt; borstels met gevaar kunnen hun gevoeligheid voor bedreigingen aanscherpen.

Het effect op de slakken was echter vluchtig. De leerrijke periode duurde slechts 30 minuten tot vier uur na de zware training. Daarna stopten de slakken met het vormen van langetermijnherinneringen tijdens de zwakke trainingssessie, en dat was niet omdat ze hun sterke training waren vergeten - de herinnering daaraan bleef maanden bestaan.

Het hebben van een kritisch venster voor verbeterd leren is logisch, want als het proces niet wordt uitgeschakeld, "zou dat schadelijk kunnen zijn voor het dier", zei Crossley. Niet alleen zou het dier dan te veel middelen kunnen investeren in leren, maar het zou ook associaties kunnen leren die schadelijk zijn voor zijn voortbestaan.

Veranderde percepties

Door met elektroden te sonderen, ontdekten de onderzoekers wat er in de hersenen van een slak gebeurt wanneer het langetermijnherinneringen van de trainingen vormt. Er treden twee parallelle tweaks in hersenactiviteit op. De eerste codeert het geheugen zelf. De tweede is "puur betrokken bij het veranderen van de perceptie van het dier van andere gebeurtenissen", zei Crossley. Het "verandert de manier waarop het de wereld ziet op basis van zijn ervaringen uit het verleden."

Ze ontdekten ook dat ze dezelfde verschuiving in de perceptie van de slakken konden veroorzaken door de effecten van dopamine te blokkeren, de chemische stof in de hersenen die wordt geproduceerd door het neuron dat het spuuggedrag activeerde. In feite zette dat het neuron aan om uit te spugen en liet het neuron om te slikken constant aan. De ervaring had hetzelfde overdrachtseffect als sterke training in de eerdere experimenten: uren later vormden de slakken een langetermijngeheugen van de zwakke training.

De onderzoekers brengen het proces grondig en elegant in kaart van "het gedrag tot de elektrofysiologische onderbouwing van deze interactie tussen vroegere en nieuwe herinneringen", aldus de onderzoekers. Pedro Jacob, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Oxford die niet betrokken was bij het onderzoek. "Het is interessant om te weten hoe mechanistisch dit gebeurt, omdat het waarschijnlijk bij alle soorten behouden blijft."

Frank is er echter niet helemaal van overtuigd dat het feit dat de slakken geen gearomatiseerd water binnenkrijgen na de zwakke training, betekent dat ze er geen herinnering aan hebben. Je kunt een geheugen hebben maar er niet naar handelen, zei hij, dus om dat onderscheid te maken, zijn misschien vervolgexperimenten nodig.

De mechanismen achter leren en geheugen zijn verrassend vergelijkbaar bij weekdieren en zoogdieren zoals mensen, zei Glanzman. Voor zover de auteurs weten, is dit exacte mechanisme niet bij mensen aangetoond, zei Crossley. "Het is mogelijk een grotendeels geconserveerde eigenschap en daarom een ​​die verdere aandacht verdient", zei hij.

Het zou interessant zijn om te onderzoeken of een verschuiving in perceptie permanenter kan worden gemaakt, zei Glanzman. Hij vermoedt dat dit mogelijk is als de slakken een aversieve prikkel krijgen, iets waar ze ziek van worden in plaats van iets wat ze lekker vinden.

Voorlopig zijn Crossley en zijn team benieuwd wat er in de hersenen van deze slakken gebeurt als ze meerdere gedragingen vertonen, niet alleen hun mond openen of sluiten. "Dit zijn behoorlijk fascinerende wezens," zei Crossley. "Je verwacht niet echt dat deze dieren in staat zijn om dit soort complexe processen uit te voeren."

Noot van de redactie: Loren Frank is een onderzoeker bij het Autism Research Initiative (SFARI) van de Simons Foundation. Ook de Simons Foundation financiert Quanta als een redactioneel onafhankelijk tijdschrift. Financieringsbeslissingen hebben geen invloed op onze dekking.