Minner hjelper hjernen med å gjenkjenne nye hendelser verdt å huske | Quanta Magazine

Minner er skygger fra fortiden, men også lommelykter for fremtiden.

Våre erindringer leder oss gjennom verden, avstemmer oppmerksomheten vår og former det vi lærer senere i livet. Menneske- og dyrestudier har vist at minner kan endre vår oppfatning av fremtidige hendelser og oppmerksomheten vi gir dem. "Vi vet at tidligere erfaringer endrer ting," sa Loren Frank, en nevroforsker ved University of California, San Francisco. "Hvordan det skjer er ikke alltid klart."

En ny studie publisert i tidsskriftet Vitenskap Fremskritt tilbyr nå en del av svaret. I arbeid med snegler undersøkte forskere hvordan etablerte minner gjorde dyrene mer sannsynlig å danne nye langsiktige minner om relaterte fremtidige hendelser som de ellers kunne ha ignorert. Den enkle mekanismen de oppdaget gjorde dette ved å endre en snegls oppfatning av disse hendelsene.

Forskerne tok fenomenet hvordan tidligere læring påvirker fremtidig læring "ned til en enkelt celle," sa David Glanzman, en cellebiolog ved University of California, Los Angeles som ikke var involvert i studien. Han kalte det et attraktivt eksempel "på å bruke en enkel organisme for å prøve å få forståelse av atferdsfenomener som er ganske komplekse."

Selv om snegler er ganske enkle skapninger, bringer den nye innsikten forskerne et skritt nærmere å forstå det nevrale grunnlaget for langtidshukommelse hos dyr av høyere orden som mennesker.

Selv om vi ofte ikke er klar over utfordringen, er langtidshukommelsesdannelse "en utrolig energisk prosess," sa Michael Crossley, seniorforsker ved University of Sussex og hovedforfatter av den nye studien. Slike minner avhenger av at vi skaper mer varige synaptiske forbindelser mellom nevroner, og hjerneceller må rekruttere mange molekyler for å gjøre det. For å spare ressurser, må en hjerne derfor være i stand til å skille når det er verdt prisen å danne et minne og når det ikke er det. Det er sant enten det er hjernen til et menneske eller hjernen til en "liten snegl på et stramt energibudsjett," sa han.

På en nylig videosamtale holdt Crossley frem en slik snegle, en tommelstørrelse Lymnaea bløtdyr med en hjerne han kalte «vakker». Mens en menneskelig hjerne har 86 milliarder nevroner, har sneglen bare 20,000 10 - men hver av dens nevroner er XNUMX ganger større enn vår og mye mer tilgjengelig for studier. Disse gigantiske nevronene og deres godt kartlagte hjernekretsløp har gjort sneglene til et favorittfag for nevrobiologisk forskning.

De bittesmå fôrfolkene er også "bemerkelsesverdige elever" som kan huske noe etter en enkelt eksponering for det, sa Crossley. I den nye studien kikket forskerne dypt inn i sneglenes hjerner for å finne ut hva som skjedde på nevrologisk nivå da de tilegnet seg minner.

lokkende minner

I sine eksperimenter ga forskerne sneglene to former for trening: sterk og svak. Under sterk trening sprayet de først sneglene med vann med banansmak, som sneglene behandlet som nøytrale i sin appell: De ville svelge noen, men så spyttet ut noe av det. Så ga teamet sneglene sukker, som de slukte ivrig.

Da de testet sneglene så mye som et døgn senere, viste sneglene at de hadde lært å assosiere banansmaken med sukkeret fra den eneste opplevelsen. Sneglene så ut til å oppfatte smaken som mer ønskelig: De var mye mer villige til å svelge vannet.

Derimot lærte ikke sneglene denne positive assosiasjonen fra en svak treningsøkt, der et bad smaksatt med kokos ble etterfulgt av en mye mer utvannet sukkergodbit. Sneglene fortsatte å både svelge og spytte ut vannet.

Så langt var eksperimentet i hovedsak en snegleversjon av Pavlovs berømte kondisjoneringseksperimenter der hunder lærte å sikle når de hørte lyden av en bjelle. Men så så forskerne på hva som skjedde da de ga sneglene en sterk trening med banansmak etterfulgt timer senere av en svak trening med kokossmak. Plutselig lærte sneglene av den svake treningen også.

Da forskerne byttet rekkefølgen og gjorde den svake treningen først, klarte den igjen ikke å gi et minne. Sneglene dannet fortsatt et minne om den sterke treningen, men det hadde ikke en tilbakevirkende styrkende effekt på den tidligere opplevelsen. Å bytte ut smakene som ble brukt i de sterke og svake treningene hadde heller ingen effekt.

Forskerne konkluderte med at den sterke treningen presset sneglene inn i en "læringsrik" periode der terskelen for hukommelsesdannelse var lavere, noe som gjorde dem i stand til å lære ting de ellers ikke ville ha (som den svake treningsassosiasjonen mellom smak og fortynnet sukker). En slik mekanisme kan hjelpe hjernen med å rette ressursene mot læring på passende tidspunkt. Mat kan gjøre sneglene mer oppmerksomme på potensielle matkilder i nærheten; børster med fare kan skjerpe deres følsomhet for trusler.

Effekten på sneglene var imidlertid flyktig. Den læringsrike perioden varte i bare 30 minutter til fire timer etter den sterke treningen. Etter det sluttet sneglene å danne langtidsminner under den svake treningsøkten, og det var ikke fordi de hadde glemt sin sterke trening – minnet om det varte i flere måneder.

Å ha et kritisk vindu for forbedret læring er fornuftig fordi hvis prosessen ikke ble slått av, "kan det være skadelig for dyret," sa Crossley. Ikke bare kan dyret da investere for mange ressurser i læring, men det kan lære assosiasjoner som er skadelige for dets overlevelse.

Endrede oppfatninger

Ved å sondere med elektroder fant forskerne ut hva som skjer inne i en snegles hjerne når den danner langtidsminner fra treningene. To parallelle justeringer i hjerneaktivitet skjer. Den første koder selve minnet. Den andre er "rent involvert i å endre dyrets oppfatning av andre hendelser," sa Crossley. Det "endrer måten det ser på verden på basert på tidligere erfaringer."

De fant også at de kunne indusere det samme skiftet i sneglenes oppfatning ved å blokkere effekten av dopamin, hjernekjemikaliet produsert av nevronet som aktiverte spytteatferden. Faktisk satte det nevronet til å spytte av og lot nevronet svelge konstant. Opplevelsen hadde den samme overføringseffekten som sterk trening gjorde i tidligere eksperimenter: Timer senere dannet sneglene et langtidsminne om den svake treningen.

Forskerne kartlegger grundig og elegant prosessen fra «atferden til den elektrofysiologiske underbygningen av denne interaksjonen mellom tidligere og nye minner», sa forskerne. Pedro Jacob, en postdoktor ved University of Oxford som ikke var involvert i studien. "Å ha kunnskap om hvor mekanistisk dette skjer er interessant fordi det sannsynligvis er bevart på tvers av arter."

Frank er imidlertid ikke helt overbevist om at sneglenes manglende evne til å få i seg smaksatt vann etter den svake treningen betyr at de ikke hadde noe minne fra det. Du kan ha et minne, men ikke handle på det, sa han, så å gjøre det skillet kan kreve oppfølgingseksperimenter.

Mekanismene bak læring og hukommelse er overraskende like i bløtdyr og pattedyr som mennesker, sa Glanzman. Så vidt forfatterne vet, har denne eksakte mekanismen ikke blitt vist hos mennesker, sa Crossley. "Det kan være et bredt bevart trekk og derfor en som fortjener ytterligere oppmerksomhet," sa han.

Det ville være interessant å studere om et skifte i oppfatning kan gjøres mer permanent, sa Glanzman. Han mistenker at dette kan være mulig dersom sneglene får en aversiv stimulans, noe som gjør dem syke i stedet for noe de liker.

Foreløpig er Crossley og teamet hans nysgjerrige på hva som skjer i hjernen til disse sneglene når de utfører flere adferd, ikke bare åpner eller lukker munnen. "Dette er ganske fascinerende skapninger," sa Crossley. "Du forventer egentlig ikke at disse dyrene skal være i stand til å gjøre slike komplekse prosesser."

Redaktørens notat: Loren Frank er en etterforsker ved Simons Foundations Autism Research Initiative (SFARI). Simons Foundation finansierer også Quanta som et redaksjonelt uavhengig magasin. Finansieringsbeslutninger har ingen innflytelse på vår dekning.