Wspomnienia pomagają mózgowi rozpoznawać nowe wydarzenia warte zapamiętania | Magazyn Quanta

Wspomnienia są cieniami przeszłości, ale także latarkami na przyszłość.

Nasze wspomnienia prowadzą nas przez świat, nastrajają naszą uwagę i kształtują to, czego uczymy się w późniejszym życiu. Badania na ludziach i zwierzętach wykazały, że wspomnienia mogą zmienić nasze postrzeganie przyszłych wydarzeń i uwagę, jaką im poświęcamy. „Wiemy, że przeszłe doświadczenia zmieniają rzeczy” – powiedział Lorena Franka, neurobiolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco. „Jak dokładnie to się dzieje, nie zawsze jest jasne”.

Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Postępy nauki teraz oferuje część odpowiedzi. Pracując ze ślimakami, naukowcy zbadali, w jaki sposób utrwalone wspomnienia zwiększają prawdopodobieństwo tworzenia przez zwierzęta nowych długoterminowych wspomnień związanych z przyszłymi wydarzeniami, które w przeciwnym razie mogłyby zostać zignorowane. Prosty mechanizm, który odkryli, dokonał tego, zmieniając postrzeganie tych wydarzeń przez ślimaka.

Badacze wzięli zjawisko tego, jak przeszłe uczenie się wpływa na przyszłe uczenie się „do pojedynczej komórki” – powiedział Davida Glanzmana, biolog komórkowy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, który nie brał udziału w badaniu. Nazwał to atrakcyjnym przykładem „wykorzystywania prostego organizmu do próby zrozumienia dość złożonych zjawisk behawioralnych”.

Chociaż ślimaki są dość prostymi stworzeniami, nowe odkrycie przybliża naukowców do zrozumienia neuronowych podstaw pamięci długoterminowej u zwierząt wyższego rzędu, takich jak ludzie.

Chociaż często nie jesteśmy świadomi wyzwania, tworzenie pamięci długoterminowej jest „niesamowicie energetycznym procesem” – powiedział Michaela Crossleya, starszy pracownik naukowy na Uniwersytecie w Sussex i główny autor nowego badania. Takie wspomnienia zależą od tego, czy wykujemy trwalsze połączenia synaptyczne między neuronami, a komórki mózgowe muszą rekrutować wiele cząsteczek, aby to zrobić. Aby oszczędzać zasoby, mózg musi być w stanie rozróżnić, kiedy tworzenie pamięci jest warte kosztów, a kiedy nie. To prawda, niezależnie od tego, czy jest to mózg człowieka, czy mózg „małego ślimaka z napiętym budżetem energetycznym” – powiedział.

Podczas niedawnej rozmowy wideo Crossley podała jednego takiego ślimaka wielkości kciuka Lymnea mięczak z mózgiem, który nazwał „pięknym”. Podczas gdy ludzki mózg ma 86 miliardów neuronów, mózg ślimaka ma tylko 20,000 10 — ale każdy z jego neuronów jest XNUMX razy większy niż nasz i znacznie łatwiej dostępny do badań. Te gigantyczne neurony i ich dobrze zmapowane obwody mózgowe sprawiły, że ślimaki stały się ulubionym przedmiotem badań neurobiologicznych.

Crossley powiedział, że mali zbieracze są również „niezwykłymi uczniami”, którzy potrafią zapamiętać coś po jednym kontakcie. W nowym badaniu naukowcy zajrzeli głęboko do mózgów ślimaków, aby dowiedzieć się, co dzieje się na poziomie neurologicznym, kiedy nabywają wspomnienia.

Namawianie wspomnień

W swoich eksperymentach naukowcy dali ślimakom dwa rodzaje treningu: silny i słaby. Podczas intensywnego treningu najpierw spryskali ślimaki wodą o smaku bananowym, którą ślimaki potraktowały jako neutralną w swoim atrakcyjności: część połykały, a część wypluwały. Następnie zespół dał ślimakom cukier, który zachłannie połykały.

Kiedy przetestowali ślimaki jeszcze dzień później, ślimaki wykazały, że nauczyły się kojarzyć smak banana z cukrem z tego jednego doświadczenia. Ślimaki zdawały się postrzegać smak jako bardziej pożądany: znacznie chętniej połykały wodę.

Z kolei ślimaki nie nauczyły się tego pozytywnego skojarzenia ze słabej sesji treningowej, podczas której po kąpieli o smaku kokosowym następowała znacznie bardziej rozcieńczona słodka uczta. Ślimaki nadal połykały i wypluwały wodę.

Jak dotąd eksperyment był zasadniczo ślimakową wersją słynnych eksperymentów Pavlova z warunkowaniem, w których psy nauczyły się ślinić, gdy usłyszały dźwięk dzwonka. Ale potem naukowcy przyjrzeli się, co się stało, gdy dali ślimakom silny trening z aromatem bananowym, a kilka godzin później słaby trening z aromatem kokosowym. Nagle ślimaki też nauczyły się czegoś ze słabego treningu.

Kiedy naukowcy zmienili kolejność i najpierw wykonali słaby trening, ponownie nie udało się przekazać wspomnienia. Ślimaki nadal tworzyły wspomnienie silnego treningu, ale nie miało to wstecznego efektu wzmacniającego na wcześniejsze doświadczenia. Zamiana smaków stosowanych w treningach mocnych i słabych również nie przyniosła efektu.

Naukowcy doszli do wniosku, że intensywny trening wepchnął ślimaki w okres „bogaty w naukę”, w którym próg tworzenia pamięci był niższy, co umożliwiło im nauczenie się rzeczy, których w innym przypadku by się nie nauczyły (takich jak skojarzenie słabego treningu między smakiem a rozcieńczony cukier). Taki mechanizm mógłby pomóc mózgowi skierować zasoby na uczenie się w odpowiednich momentach. Jedzenie może sprawić, że ślimaki będą bardziej wyczulone na potencjalne źródła pożywienia w pobliżu; kontakt z niebezpieczeństwem może wyostrzyć ich wrażliwość na zagrożenia.

Jednak wpływ na ślimaki był ulotny. Okres bogaty w naukę trwał tylko od 30 minut do czterech godzin po intensywnym treningu. Po tym ślimaki przestały tworzyć pamięć długoterminową podczas słabej sesji treningowej, i to nie dlatego, że zapomniały o swoim intensywnym treningu – pamięć o tym utrzymywała się przez miesiące.

Posiadanie krytycznego okna dla ulepszonego uczenia się ma sens, ponieważ jeśli proces się nie wyłączy, „może to być szkodliwe dla zwierzęcia” – powiedział Crossley. Zwierzę może wtedy nie tylko zainwestować zbyt wiele zasobów w naukę, ale może też nauczyć się skojarzeń szkodliwych dla jego przetrwania.

Zmienione postrzeganie

Badając elektrodami, naukowcy odkryli, co dzieje się w mózgu ślimaka, gdy tworzy on długoterminowe wspomnienia z treningów. Występują dwie równoległe zmiany w aktywności mózgu. Pierwszy koduje samą pamięć. Drugi jest „wyłącznie zaangażowany w zmianę postrzegania przez zwierzę innych wydarzeń” – powiedział Crossley. „Zmienia sposób, w jaki postrzega świat na podstawie swoich przeszłych doświadczeń”.

Odkryli również, że mogą wywołać tę samą zmianę w percepcji ślimaków, blokując działanie dopaminy, substancji chemicznej w mózgu wytwarzanej przez neuron, który aktywuje plucie. W efekcie to włączyło neuron do plucia i pozostawiło neuron do połykania na stałe. Doświadczenie miało taki sam efekt przeniesienia, jak silny trening w poprzednich eksperymentach: kilka godzin później ślimaki utworzyły długoterminową pamięć słabego treningu.

Naukowcy dokładnie i elegancko opisują proces od „zachowania do elektrofizjologicznych podstaw tej interakcji między przeszłymi i nowymi wspomnieniami”, powiedział Piotr Jakub, doktor habilitowany na Uniwersytecie Oksfordzkim, który nie brał udziału w badaniu. „Posiadanie wiedzy o tym, jak mechanicznie to się dzieje, jest interesujące, ponieważ prawdopodobnie jest zachowane u różnych gatunków”.

Frank nie jest jednak do końca przekonany, że niepowodzenie ślimaków w spożyciu wody smakowej po słabym treningu oznacza, że ​​nie zachowały z tego żadnej pamięci. Można mieć pamięć, ale nie działać na jej podstawie, powiedział, więc dokonanie tego rozróżnienia może wymagać dalszych eksperymentów.

Mechanizmy uczenia się i pamięci są zaskakująco podobne u mięczaków i ssaków, takich jak ludzie, powiedział Glanzman. O ile autorzy wiedzą, ten dokładny mechanizm nie został pokazany u ludzi, powiedział Crossley. „Może to być szeroko zachowana cecha, a zatem taka, która zasługuje na dalszą uwagę” – powiedział.

Byłoby interesujące zbadać, czy zmiana w postrzeganiu może być bardziej trwała, powiedział Glanzman. Podejrzewa, że ​​może to być możliwe, jeśli ślimaki otrzymają awersyjny bodziec, coś, co powoduje u nich mdłości, a nie coś, co lubią.

Na razie Crossley i jego zespół są ciekawi, co dzieje się w mózgach tych ślimaków, kiedy wykonują wiele zachowań, nie tylko otwierając lub zamykając usta. „To całkiem fascynujące stworzenia” – powiedział Crossley. „Tak naprawdę nie spodziewasz się, że te zwierzęta będą w stanie wykonywać tego rodzaju złożone procesy”.

Uwaga edytora: Loren Frank jest badaczem w Autism Research Initiative (SFARI) Fundacji Simonsa. Fundacja Simonsa również finansuje Quanta jako niezależny redakcyjnie magazyn. Decyzje o finansowaniu nie mają wpływu na nasz zasięg.