Wspomnienia są wybredne. Od trzech tygodni jeżdżę po Atlantic Canada i już moje wspomnienia z tej podróży — daty, miejsca, jedzenie, przygody — nie pasują do szpilek w Mapach Google ani wpisów do dziennika. Mój mózg uczył się nowych doświadczeń i kodował wspomnienia – ale nie na tyle mocno, by wytrzymać nawet tydzień.
Zachowanie pamięci pogarsza się wraz z wiekiem. Dla osób z urazami mózgu, takimi jak udar lub uraz fizyczny mózgu, upośledzenie może być całkowicie wyniszczające. Co by było, gdyby istniał sposób na sztuczne zwiększenie zdolności mózgu do zatrzymywania wspomnień?
Pomysł brzmi jak Czarne lustro epizod. Ale w tym miesiącu nowe badanie in Frontiers in Human Neuroscience dostarczył jednych z pierwszych dowodów na to, że „proteza pamięci” jest możliwa u ludzi. Proteza nie jest urządzeniem; jest to raczej seria elektrod wszczepionych wewnątrz hipokampa – struktury ukrytej głęboko w mózgu, która ma kluczowe znaczenie dla epizodycznych wspomnień – która koduje kiedy, gdzie i co z naszych codziennych doświadczeń.
Konfiguracja opiera się na całkowicie nieromantycznym spojrzeniu na pamięć. Zamiast fal bogatych, szczegółowych, wspomnienia emocjonalne które zalewają nasze mózgi, utrzymuje, że wspomnienia są po prostu sygnałami elektrycznymi generowanymi przez dobrze uregulowaną autostradę neuronową wewnątrz hipokampa. Jeśli uda nam się uchwycić te sygnały, gdy dana osoba się uczy, to teoretycznie moglibyśmy odtworzyć nagrania z powrotem do mózgu – w postaci elektrycznych zaników – i potencjalnie wzmocnić tę konkretną pamięć.
Zespół oparł się na swojej wcześniejszej pracy nad inżynierią protetyki pamięci. U osób z padaczką wykazali, że poprzez ponowne wprowadzenie sygnałów neuronowych kodujących jeden rodzaj pamięci w określonym zadaniu, zaps zwiększył pamięć o ponad 50 procent.
W badaniu wzięła udział mała kohorta. Ale niewiarygodnie, ci, którzy cierpieli z powodu wcześniejszej utraty pamięci, wykazali najlepszą poprawę.
Żeby było jasne, zespół nie opracował kamery wideo do pamięci. System częściowo naśladuje normalny proces kodowania i przypominania pamięci w hipokampie, który może być notorycznie subiektywny i nieco zawodny. Podobna proteza pamięci może nie działać dobrze w prawdziwym świecie, w którym jesteśmy nieustannie bombardowani nowymi doświadczeniami i wspomnienia.
To powiedziawszy, badanie pokazuje sposób, aby pomóc osobom z demencją, chorobą Alzheimera lub innymi przyczynami utraty pamięci zachować fragmenty ich życia, które w przeciwnym razie mogłyby zostać utracone.
„To spojrzenie w przyszłość tego, co możemy zrobić, aby przywrócić pamięć” powiedziany Dr Kim Shapiro z University of Birmingham, która nie była zaangażowana w badanie, do Przegląd technologii MIT.
Jak to działa?
Wszystko sprowadza się do impulsów elektrycznych otaczających hipokamp i wewnątrz niego.
Zróbmy zbliżenie. Hipokamp, struktura w kształcie konika morskiego, jest często opisywana jako monolityczne centrum wspomnień. Ale – wstaw analogię z jedzeniem – zamiast jednolitego bloku sera, przypomina bardziej wielowarstwowy serowy dip, z impulsami elektrycznymi przepływającymi przez różne warstwy, gdy koduje, zachowuje i przywołuje wspomnienia.
W przypadku protezy pamięci zespół skoncentrował się na dwóch konkretnych regionach: CA1 i CA3, które tworzą silnie połączony obwód nerwowy. Dziesięciolecia pracy nad gryzoniami, naczelnymi i ludźmi wskazały na tę neuronową autostradę jako sedno kodowania wspomnień.
Członkowie zespołu pod przewodnictwem dr. Dong Song z University of Southern California i Robert Hampson z Wake Forest School of Medicine nie są obcy protetyce pamięci. Dzięki „bioinżynierowi pamięci” dr Theodore Bergerowi, który przez ponad trzy dekady pracował nad przejęciem obwodu CA3-CA1 w celu poprawy pamięci, zespół marzeń odniósł swój pierwszy sukces u ludzi w 2015 roku.
Główna idea jest prosta: replikować sygnały hipokampu za pomocą cyfrowego zamiennika. To nie jest łatwe zadanie. W przeciwieństwie do obwodów komputerowych obwody neuronowe są nieliniowe. Oznacza to, że sygnały są często bardzo zaszumione i nakładają się w czasie, co wzmacnia lub hamuje sygnały neuronowe. Jak powiedział wtedy Berger: „To chaotyczna czarna skrzynka”.
Aby złamać kod pamięci, zespół opracował dwa algorytmy. Pierwszy, zwany modelem dekodowania pamięci (MDM), pobiera średnią wzorców elektrycznych u wielu osób podczas tworzenia wspomnień. Drugi, zwany multi-input, multi-output (MIMO), jest nieco bardziej wyrafinowany, ponieważ zawiera zarówno wejściowe, jak i wyjściowe wzorce elektryczne – to znaczy obwód CA3-CA1 – i naśladuje te sygnały zarówno w przestrzeni, jak i taktowaniu. Teoretycznie przesyłanie z powrotem do hipokampu obu sygnałów elektrycznych opartych na MDM i MIMO powinno go wzmocnić.
W serii eksperymentów pierwszy u szczurów i małpy, a następnie w zdrowi ludzie, zespół odkrył, że ich protetyka pamięci może poprawić pamięć, gdy obwody neuronowe zostały tymczasowo zakłócone, na przykład za pomocą leków. Ale omijanie uszkodzonych obwodów nie wystarczy — chcieli prawdziwej protezy pamięci, która mogłaby: obsługi produkcji rolnej, która zastąpiła hipokamp, jeśli jest uszkodzony.
A Whole New World
Nowe badanie skorzystało z cennego zasobu neuronauki: osób cierpiących na epilepsję, którym wszczepiono elektrody do obszarów mózgu związanych z pamięcią. Implanty, znajdujące się głęboko w mózgu, pomagają neurochirurgom wyśledzić źródło napadów padaczkowych u ludzi. Spośród 25 wybranych uczestników niektórzy nie wykazywali objawów innych niż epilepsja, podczas gdy inni mieli łagodne do umiarkowanych urazy mózgu.
Oto test. Uczestnikom pokazywano obraz na ekranie, a następnie po pewnym czasie pokazywano im ten sam obraz z maksymalnie siedmioma różnymi alternatywami. Ich celem było wybranie znajomego obrazu. Każdy uczestnik szybko przechodził cyklicznie przez 100-150 prób, podczas których rejestrowano ich aktywność hipokampa, aby uchwycić pamięć krótkotrwałą.
Po co najmniej 15 minutach uczestnikom pokazano 3 obrazy i poproszono o ocenę znajomości każdego z nich. To trudne zadanie: jednym był przykładowy obraz z procesu, inny alternatywa, która wydawała się znajoma i nigdy wcześniej nie widziana. Miało to uchwycić ich pamięć długotrwałą.
Błysk do przodu. Pewnego dnia pomiędzy zdjęciem elektrod uczestnicy przeszli kolejną rundę testów pamięci, podobnych do poprzednich. Niektóre osoby otrzymywały stymulację elektryczną w oparciu o ich własne sygnały neuronowe, przetwarzane przez algorytm MDM lub MIMO. Inni zostali uderzeni przypadkowymi impulsami. Ostatnia grupa nie otrzymała w ogóle żadnej stymulacji.
Ogólnie rzecz biorąc, stymulacja mózgów osób z padaczką poprawiła wydajność pamięci o około 15%. Te pulsujące za pomocą MDM – które wykorzystuje uśrednione sygnały elektryczne – miały marny wzrost o 13.8%. Natomiast model MIMO, który naśladuje sygnały neuronowe każdego hipokampu, poprawił ich wydajność o 36 procent.
„Niezależnie od podstawowej funkcji pamięci (upośledzonej lub normalnej), model MIMO zapewnia co najmniej dwukrotnie większe ułatwienie w porównaniu z modelem MDM” – powiedział zespół.
Długa droga przed nami
Choć obiecujące, badanie jest tylko kolejnym małym krokiem w kierunku protezy hipokampa. Ponieważ po drugim teście uczestnikom usunięto elektrody, nie wiemy, czy – ani na jak długo – utrzymywały się efekty, ani czy konieczna jest ciągła stymulacja.
Chociaż proteza pamięci może przynieść korzyści osobom z chorobą Alzheimera, należy dopracować o wiele więcej szczegółów. Konfiguracja elektrod jest tutaj stosunkowo prymitywna — czy możliwa byłaby mikromacierz lub urządzenie nieinwazyjne? Jeśli tak, to czy urządzenie powinno być włączone 24/7? W końcu nie pamiętamy wszystkich naszych wspomnień — istnieje rodzaj „oczyszczania” synaptycznego, który, jak się sądzi, zachodzi podczas snu.
Na razie technologia nie jest jeszcze gotowa do użytku klinicznego. Ale to przebłysk tego, co może być. Przynajmniej badanie pokazuje, że podobnie jak w przypadku kontrolowanego mózgu Kończyna protetyczna, chip pamięci nie jest niemożliwy dla osób, które najbardziej go potrzebują.
