Spomini so izbirčni. Zadnje tri tedne sem potoval po atlantski Kanadi in moj spomin na potovanje – datumi, kraji, hrana, dogodivščine – se že ne ujema z žebljički na Google Zemljevidih ali vnosi v dnevnik. Moji možgani so se učili novih izkušenj in kodirali spomine – a ne dovolj močno, da bi zdržali celo teden dni.
Ohranjanje spomina se s starostjo slabša. Za ljudi z možganskimi poškodbami, kot je možganska kap ali fizična poškodba možganov, je lahko okvara popolnoma izčrpavajoča. Kaj pa, če bi obstajal način za umetno povečanje sposobnosti možganov za ohranjanje spominov?
Ideja zveni kot a Črno ogledalo epizoda. Toda ta mesec, nova študija in Meje v človeški nevroznanosti zagotovil nekaj prvih dokazov, da je "spominska protetika" možna pri ljudeh. Protetika ni pripomoček; namesto tega gre za niz elektrod, implantiranih v hipokampus – strukturo, zakopano globoko v možganih, ki je ključnega pomena za epizodne spomine –, ki kodira, kdaj, kje in kaj naših vsakodnevnih izkušenj.
Postavitev temelji na skrajno neromantičnem pogledu na spomin. Namesto valov bogatega, podrobnega, čustveni spomini ki preplavijo naše možgane, velja, da so spomini preprosto električni signali, ki jih ustvari dobro regulirana nevronska avtocesta znotraj hipokampusa. Če lahko zajamemo te signale, medtem ko se oseba uči, potem bi teoretično lahko predvajali posnetke nazaj v možgane – v obliki električnih zapasov – in potencialno okrepili ta poseben spomin.
Ekipa je gradila na svojem prejšnjem delu inženiringa spominske protetike. Pri ljudeh z epilepsijo so pokazali, da je zaps s ponovno uvedbo živčnih signalov, ki kodirajo eno vrsto spomina pri določeni nalogi, povečal priklic za več kot 50 odstotkov.
Študija je vključevala majhno kohorto. Toda neverjetno je, da so tisti, ki so imeli predhodno izgubo spomina, pokazali najboljše izboljšave.
Da bo jasno, ekipa ni razvila video kamere za spomin. Sistem delno posnema običajni proces hipokampusa za kodiranje spomina in priklic, ki je lahko izrazito subjektiven in nekoliko nezanesljiv. Podobna spominska protetika morda ne bo dobro delovala v resničnem svetu, kjer smo nenehno bombardirani z novimi izkušnjami in spomini.
Kljub temu študija kaže način, kako ljudem z demenco, Alzheimerjevo boleznijo ali drugimi vzroki za izgubo spomina pomagati ohraniti delčke svojega življenja, ki bi jih sicer lahko izgubili.
"To je vpogled v prihodnost tega, kar bi lahko storili za obnovitev spomina," je dejal Dr. Kim Shapiro z Univerze v Birminghamu, ki ni bila vključena v študijo, da Pregled tehnologije MIT.
Kako deluje?
Vse se spusti na električne impulze, ki obdajajo hipokampus in znotraj njega.
Povečajmo. Hipokampus, strukturo v obliki morskega konjička, pogosto opisujejo kot monolitno središče za spomine. Toda – vstavite analogijo s hrano – namesto enotnega bloka sira je bolj podoben večplastnemu sirnemu namaku z električnimi impulzi, ki tečejo skozi različne plasti, medtem ko kodira, ohranja in prikliče spomine.
Za spominsko protetiko se je ekipa osredotočila na dve specifični regiji: CA1 in CA3, ki tvorita visoko medsebojno povezano nevronsko vezje. Desetletja dela na glodavcih, primatih in ljudeh so pokazala, da je ta nevronska cesta bistvo kodiranja spominov.
Člani ekipe pod vodstvom dr. Dong Song z Univerze v južni Kaliforniji in Robert Hampson na Medicinski fakulteti Wake Forest nista neznanca spominske protetike. Z »bioinženirjem spomina« dr. Theodorom Bergerjem – ki je več kot tri desetletja delal na ugrabitvi vezja CA3-CA1 za izboljšanje spomina – je sanjska ekipa leta 2015 dosegla prvi uspeh pri ljudeh.
Osrednja ideja je preprosta: ponovite signale hipokampusa z digitalnim nadomestkom. To ni lahka naloga. Za razliko od računalniških vezij so nevronska vezja nelinearna. To pomeni, da so signali pogosto izjemno šumni in se časovno prekrivajo, kar krepi ali zavira nevronske signale. Kot je takrat dejal Berger: "To je kaotična črna skrinjica."
Za razbijanje spominske kode je ekipa izdelala dva algoritma. Prvi, imenovan model dekodiranja spomina (MDM), zajema povprečje električnih vzorcev več ljudi, ko oblikujejo spomine. Drugi, imenovan multi-input, multi-output (MIMO), je malce bolj izpopolnjen, saj vključuje tako vhodne kot izhodne električne vzorce - to je vezje CA3-CA1 - in posnema te signale v prostoru in času. Teoretično bi moralo pulziranje obeh električnih signalov, ki temeljita na MDM in MIMO, nazaj v hipokampus, to spodbuditi.
V nizu poskusov, najprej pri podganah in opice, potem pa v zdravi ljudje, je ekipa ugotovila, da bi njihova spominska protetika lahko izboljšala spomin, ko so bila nevronska vezja začasno motena, na primer z zdravili. Vendar obhod poškodovanih vezij ni dovolj – želeli so pravo spominsko protetiko, ki bi zamenjajte hipokampus, če je poškodovan.
Whole New World
Nova študija je imela koristi od dragocenega nevroznanstvenega vira: ljudi z epilepsijo, ki imajo elektrode implantirane v predele svojih možganov, povezane s spominom. Vsadki globoko v možganih pomagajo nevrokirurgom izslediti vir napadov ljudi. Med 25 izbranimi udeleženci nekateri niso kazali drugih simptomov razen epilepsije, drugi pa so imeli blage do zmerne možganske poškodbe.
Tukaj je test. Udeležencem je bila prikazana slika na zaslonu, nato pa jim je bila po zakasnitvi prikazana ista slika z do sedmimi različnimi alternativami. Njihov cilj je bil izbrati znano podobo. Vsak udeleženec je hitro opravil 100-150 poskusov, med katerimi je bila zabeležena njihova hipokampalna aktivnost, da bi zajeli njihov kratkoročni spomin.
Po vsaj 15 minutah so udeležencem pokazali 3 slike in jih prosili, naj ocenijo, koliko jih poznajo. To je zapletena naloga: ena je bila vzorčna slika iz poskusa, druga alternativa, ki se je zdela znana, in ena še nikoli videna. To je bilo namenjeno zajemanju njihovega dolgoročnega spomina.
Flash naprej. En dan med odstranitvijo elektrod so udeleženci opravili še en krog preizkusov spomina, podobnih prejšnjim. Nekateri ljudje so prejeli električno stimulacijo na podlagi lastnih živčnih signalov, obdelanih z algoritmom MDM ali MIMO. Druge so zaprli z naključnimi impulzi. Zadnja skupina sploh ni prejela nobene stimulacije.
Na splošno je stimulacija možganov ljudi z epilepsijo povečala zmogljivost spomina za približno 15 odstotkov. Tisti, pulzirani z MDM - ki uporablja povprečne električne signale - so imeli pičlih 13.8-odstotno povečanje. Nasprotno pa je model MIMO, ki posnema nevronske signale vsakega hipokampusa, izboljšal njihovo delovanje za 36 odstotkov.
»Ne glede na osnovno pomnilniško funkcijo (oslabljeno v primerjavi z normalnim) model MIMO ustvari vsaj dvojno olajšanje v primerjavi z modelom MDM,« je dejala ekipa.
Dolga pot pred nami
Čeprav je študija obetavna, je le naslednji majhen korak k hipokampalni protetiki. Ker so udeležencem po drugem testu odstranili elektrode, ne vemo, ali so učinki trajali – niti kako dolgo – ali je potrebna stalna stimulacija.
Medtem ko bi spominska proteza lahko koristila ljudem z Alzheimerjevo boleznijo, je treba zgladiti še veliko več podrobnosti. Nastavitev elektrod je razmeroma groba - ali bi bila možna mikromreža ali neinvazivna naprava? Če je tako, ali naj bo naprava vklopljena 24/7? Navsezadnje se ne spomnimo vseh svojih spominov – med spanjem naj bi prišlo do neke vrste sinaptičnega »čiščenja«.
Za zdaj tehnologija še zdaleč ni pripravljena za klinično uporabo. Ampak to je vpogled v to, kar bi lahko bilo. Vsaj študija kaže, da, podobno kot možgansko nadzorovana protetični ud, pomnilniški čip ni nemogoč za ljudi, ki ga najbolj potrebujejo.
