Herinneringen zijn kieskeurig. Ik heb de afgelopen drie weken door Atlantisch Canada gereisd en mijn herinnering aan de reis - datums, plaatsen, eten, avonturen - komt nu al niet overeen met spelden op Google Maps of dagboekaantekeningen. Mijn hersenen leerden nieuwe ervaringen en codeerden herinneringen - alleen niet sterk genoeg om zelfs maar een week mee te gaan.
Geheugenretentie wordt slechter met de leeftijd. Voor mensen met hersenletsel, zoals door een beroerte of fysiek trauma aan de hersenen, kan de stoornis uiterst slopend zijn. Wat als er een manier was om het vermogen van de hersenen om herinneringen vast te houden kunstmatig te vergroten?
Het idee klinkt als een Zwarte spiegel aflevering. Maar deze maand een nieuwe studie in Grenzen in Human Neuroscience leverde enkele van de eerste bewijzen dat een "geheugenprothese" mogelijk is bij mensen. De prothese is geen apparaat; het is eerder een reeks elektroden die in de hippocampus zijn geïmplanteerd - een diep in de hersenen begraven structuur die cruciaal is voor episodische herinneringen - die het wanneer, waar en wat van onze dagelijkse ervaringen codeert.
De opstelling is gebaseerd op een volkomen onromantische kijk op het geheugen. In plaats van de golven van rijke, gedetailleerde, emotionele herinneringen die onze hersenen overspoelen, stelt het dat herinneringen eenvoudigweg elektrische signalen zijn die worden gegenereerd door een goed gereguleerde neurale snelweg in de hippocampus. Als we deze signalen kunnen opvangen terwijl iemand aan het leren is, dan kunnen we in theorie de opnames terugspelen naar de hersenen - in de vorm van elektrische zaps - en mogelijk dat specifieke geheugen versterken.
Het team bouwde voort op hun eerdere werk van technische geheugenprotheses. Bij mensen met epilepsie toonden ze aan dat door het herintroduceren van neurale signalen die coderen voor één type geheugen in een specifieke taak, de zaps de herinnering met meer dan 50 procent verhoogden.
De studie omvatte een klein cohort. Maar ongelooflijk, degenen die last hadden van eerder geheugenverlies vertoonden de beste verbeteringen.
Voor alle duidelijkheid: het team heeft geen videocamera ontwikkeld voor het geheugen. Het systeem bootst gedeeltelijk het normale proces van de hippocampus na voor geheugencodering en -herinnering, dat notoir subjectief en enigszins onbetrouwbaar kan zijn. Een vergelijkbare geheugenprothese werkt misschien niet goed in de echte wereld, waar we constant worden gebombardeerd met nieuwe ervaringen en herinneringen.
Dat gezegd hebbende, toont de studie een manier om mensen met dementie, Alzheimer of andere oorzaken van geheugenverlies te helpen fragmenten van hun leven te behouden die anders verloren zouden kunnen gaan.
"Het is een glimp in de toekomst van wat we zouden kunnen doen om het geheugen te herstellen," zei Dr. Kim Shapiro van de Universiteit van Birmingham, die niet betrokken was bij de studie, aan MIT Technology Review.
Hoe werkt het?
Het komt allemaal neer op de elektrische pulsen rond de hippocampus en daarbinnen.
Laten we inzoomen. De hippocampus, een structuur in de vorm van een zeepaardje, wordt vaak beschreven als een monolithische hub voor herinneringen. Maar - voeg voedselanalogie toe - in plaats van een uniform blok kaas, is het meer een meerlagige kaasdip, met elektrische pulsen die door verschillende lagen stromen terwijl het codeert, vasthoudt en herinneringen oproept.
Voor de geheugenprothese concentreerde het team zich op twee specifieke regio's: CA1 en CA3, die een sterk onderling verbonden neuraal circuit vormen. Tientallen jaren werk bij knaagdieren, primaten en mensen hebben gewezen op deze neurale snelweg als de crux voor het coderen van herinneringen.
De teamleden, onder leiding van Drs. Dong Song van de Universiteit van Zuid-Californië en Robert Hampson van de Wake Forest School of Medicine zijn geen onbekenden met geheugenprothesen. Met "geheugen-bio-ingenieur" Dr. Theodore Berger - die al meer dan drie decennia heeft gewerkt aan het kapen van het CA3-CA1-circuit voor geheugenverbetering - had het droomteam hun eerste succes bij mensen in 2015.
Het centrale idee is eenvoudig: repliceer de signalen van de hippocampus met een digitale vervanging. Het is geen gemakkelijke taak. In tegenstelling tot computercircuits zijn neurale circuits niet-lineair. Dit betekent dat signalen vaak extreem luidruchtig zijn en elkaar in de tijd overlappen, wat neurale signalen versterkt of remt. Zoals Berger destijds zei: "Het is een chaotische zwarte doos."
Om de geheugencode te kraken, werkte het team twee algoritmen uit. Het eerste, geheugendecoderingsmodel (MDM) genoemd, neemt een gemiddelde van de elektrische patronen van meerdere mensen terwijl ze herinneringen vormen. De andere, genaamd multi-input, multi-output (MIMO), is een beetje geavanceerder, omdat het zowel input- als output-elektrische patronen bevat - dat wil zeggen, het CA3-CA1-circuit - en die signalen nabootst in zowel ruimte als timing. In theorie zou het pulseren van beide elektrische signalen op basis van MDM en MIMO terug in de hippocampus een boost moeten geven.
In een reeks experimenten eerst bij ratten en apen, dan in gezonde mensenontdekte het team dat hun geheugenprothesen het geheugen konden verbeteren wanneer neurale circuits tijdelijk werden verstoord, zoals bij medicijnen. Maar het omzeilen van gewonde circuits is niet genoeg - wat ze wilden was een echte geheugenprothese die dat wel kon vervangen de hippocampus als deze beschadigd is.
A Whole New World
De nieuwe studie profiteerde van een waardevol neurowetenschappelijk hulpmiddel: mensen met epilepsie bij wie elektroden zijn geïmplanteerd in geheugengerelateerde hersengebieden. De implantaten, diep in de hersenen, helpen neurochirurgen de oorzaak van de aanvallen van mensen op te sporen. Van de 25 geselecteerde deelnemers vertoonden sommigen geen andere symptomen dan epilepsie, terwijl anderen licht tot matig hersenletsel hadden.
Hier is de test. De deelnemers kregen een afbeelding op een scherm te zien en na een vertraging kregen ze dezelfde afbeelding te zien met maximaal zeven verschillende alternatieven. Hun doel was om het bekende beeld eruit te halen. Elke deelnemer doorliep snel 100-150 proeven, waarbij hun hippocampale activiteit werd geregistreerd om hun kortetermijngeheugen vast te leggen.
Na minstens 15 minuten kregen de deelnemers 3 afbeeldingen te zien en werd gevraagd om de vertrouwdheid van elk te rangschikken. Het is een lastige taak: de ene was een voorbeeldafbeelding van de proef, de andere een alternatief dat bekend leek, en nog nooit eerder gezien. Dit was bedoeld om hun langetermijngeheugen vast te leggen.
Flits vooruit. Op een dag ondergingen de deelnemers tussen het verwijderen van de elektroden nog een reeks geheugentests, vergelijkbaar met de vorige. Sommige mensen kregen elektrische stimulatie op basis van hun eigen neurale signalen, verwerkt door het MDM- of MIMO-algoritme. Anderen werden gezapt met willekeurige pulsen. De laatste groep kreeg helemaal geen stimulatie.
Over het algemeen verhoogde het stimuleren van de hersenen van mensen met epilepsie de geheugenprestaties met ongeveer 15 procent. Degenen die gepulseerd waren met MDM - dat de gemiddelde elektrische signalen gebruikt - hadden een magere boost van 13.8 procent. Het MIMO-model daarentegen, dat neurale signalen van elke hippocampus nabootst, zorgde ervoor dat hun prestaties met 36 procent verbeterden.
"Ongeacht de basisgeheugenfunctie (verminderd vs. normaal), levert het MIMO-model ten minste twee keer zoveel facilitatie op in vergelijking met het MDM-model", aldus het team.
De lange weg vooruit
Hoewel veelbelovend, is de studie slechts de volgende kleine stap in de richting van een hippocampale prothese. Omdat de elektroden van de proefpersonen na de tweede test werden verwijderd, weten we niet of en hoe lang de effecten aanhielden en of continue stimulatie nodig is.
Hoewel een geheugenprothese ten goede kan komen aan mensen met de ziekte van Alzheimer, moeten er nog veel meer details worden gladgestreken. De opstelling van de elektrode hier is relatief grof - zou een microarray of een niet-invasief apparaat mogelijk zijn? Zo ja, moet het apparaat dan 24/7 aanstaan? We herinneren ons tenslotte niet al onze herinneringen - er is een soort synaptische "zuivering" waarvan wordt gedacht dat deze tijdens de slaap plaatsvindt.
Voorlopig is de technologie nog lang niet klaar voor klinisch gebruik. Maar het is een glimp van wat zou kunnen zijn. Uit het onderzoek blijkt in ieder geval dat, vergelijkbaar met een hersengestuurde Prothetische ledemaat, een geheugenchip is niet onmogelijk voor mensen die het het hardst nodig hebben.
Krediet van het beeld: Dit is het oppompen van Pixabay
