Minnen hjälper hjärnan att känna igen nya händelser värda att komma ihåg | Quanta Magazine

Minnen är skuggor från det förflutna men också ficklampor för framtiden.

Våra minnen vägleder oss genom världen, stämmer vår uppmärksamhet och formar vad vi lär oss senare i livet. Människo- och djurstudier har visat att minnen kan förändra vår uppfattning om framtida händelser och den uppmärksamhet vi ger dem. "Vi vet att tidigare erfarenheter förändrar saker," sa Loren Frank, en neuroforskare vid University of California, San Francisco. "Hur exakt det händer är inte alltid klart."

En ny studie publicerad i tidningen Vetenskap Förskott erbjuder nu en del av svaret. Genom att arbeta med sniglar undersökte forskare hur etablerade minnen gjorde djuren mer benägna att bilda nya långsiktiga minnen av relaterade framtida händelser som de annars skulle ha ignorerat. Den enkla mekanism som de upptäckte gjorde detta genom att förändra en snigels uppfattning om dessa händelser.

Forskarna tog fenomenet hur tidigare lärande påverkar framtida lärande "ned till en enda cell", sa forskarna David Glanzman, en cellbiolog vid University of California, Los Angeles som inte var involverad i studien. Han kallade det ett attraktivt exempel "på att använda en enkel organism för att försöka få förståelse för beteendefenomen som är ganska komplexa."

Även om sniglar är ganska enkla varelser, tar den nya insikten forskare ett steg närmare att förstå den neurala grunden för långtidsminnet hos högre ordningsdjur som människor.

Även om vi ofta inte är medvetna om utmaningen, är bildning av långtidsminne "en oerhört energisk process", sa Michael Crossley, en senior forskare vid University of Sussex och huvudförfattaren till den nya studien. Sådana minnen är beroende av att vi skapar mer hållbara synaptiska förbindelser mellan neuroner, och hjärnceller behöver rekrytera många molekyler för att göra det. För att spara resurser måste en hjärna därför kunna skilja på när det är värt kostnaden att bilda ett minne och när det inte är det. Det är sant oavsett om det är hjärnan hos en människa eller hjärnan hos en "liten snigel med en stram energisk budget", sa han.

På ett videosamtal nyligen höll Crossley fram en sådan snigel, en tumstorlek Lymnaea blötdjur med en hjärna som han kallade "vacker". Medan en mänsklig hjärna har 86 miljarder neuroner, har snigeln bara 20,000 10 - men var och en av dess neuroner är XNUMX gånger större än vår och mycket mer tillgänglig för studier. Dessa gigantiska neuroner och deras väl kartlagda hjärnkretsar har gjort sniglarna till ett favoritämne för neurobiologisk forskning.

De små födosökarna är också "anmärkningsvärda elever" som kan komma ihåg något efter en enda exponering för det, sa Crossley. I den nya studien kikade forskarna djupt in i sniglarnas hjärnor för att ta reda på vad som hände på neurologisk nivå när de skaffade minnen.

Uppmuntrande minnen

I sina experiment gav forskarna sniglarna två former av träning: stark och svag. Under stark träning sprayade de först sniglarna med vatten med banansmak, vilket sniglarna behandlade som neutralt i sin attraktionskraft: De skulle svälja några men sedan spotta ut en del av det. Sedan gav laget sniglarna socker, som de slukade ivrigt.

När de testade sniglarna så mycket som ett dygn senare visade sniglarna att de hade lärt sig att associera banansmaken med sockret från den enda upplevelsen. Sniglarna verkade uppfatta smaken som mer åtråvärd: De var mycket mer villiga att svälja vattnet.

Däremot lärde sig sniglarna inte denna positiva association från ett svagt träningspass, där ett bad smaksatt med kokos följdes av en mycket mer utspädd sockergodis. Sniglarna fortsatte att både svälja och spotta ut vattnet.

Hittills var experimentet i huvudsak en snigelversion av Pavlovs berömda konditioneringsexperiment där hundar lärde sig att dregla när de hörde ljudet av en klocka. Men sedan tittade forskarna på vad som hände när de gav sniglarna en stark träning med banansmak följt timmar senare av en svag träning med kokossmak. Plötsligt lärde sig sniglarna av den svaga träningen också.

När forskarna ändrade ordningen och gjorde den svaga träningen först, lyckades den återigen inte ge ett minne. Sniglarna bildade fortfarande ett minne av den starka träningen, men det hade inte en retroaktiv stärkande effekt på den tidigare erfarenheten. Att byta smaker som användes i de starka och svaga träningarna hade heller ingen effekt.

Forskarna drog slutsatsen att den starka träningen drev sniglarna in i en "inlärningsrik" period där tröskeln för minnesbildning var lägre, vilket gjorde det möjligt för dem att lära sig saker som de annars inte skulle ha (som den svaga träningsassociationen mellan en smak och utspätt socker). En sådan mekanism kan hjälpa hjärnan att rikta resurser mot lärande vid lämpliga tidpunkter. Mat kan göra sniglarna mer uppmärksamma på potentiella matkällor i närheten; penslar med fara kan skärpa deras känslighet för hot.

Effekten på sniglarna var dock flyktig. Den inlärningsrika perioden höll i sig i endast 30 minuter till fyra timmar efter den starka träningen. Efter det slutade sniglarna att bilda långtidsminnen under det svaga träningspasset, och det var inte för att de hade glömt sin starka träning – minnet av det fanns kvar i månader.

Att ha ett kritiskt fönster för förbättrad inlärning är vettigt för om processen inte stängdes av, "kan det vara skadligt för djuret", sa Crossley. Inte bara kan djuret då investera för mycket resurser på lärande, utan det kan också lära sig associationer som är skadliga för dess överlevnad.

Förändrade uppfattningar

Genom att sondera med elektroder fick forskarna reda på vad som händer inuti en snigels hjärna när den bildar långtidsminnen från träningarna. Två parallella justeringar i hjärnans aktivitet inträffar. Den första kodar själva minnet. Den andra är "rent involverad i att förändra djurets uppfattning om andra händelser", sa Crossley. Det "ändrar hur det ser på världen baserat på sina tidigare erfarenheter."

De fann också att de kunde inducera samma förändring i sniglarnas uppfattning genom att blockera effekterna av dopamin, hjärnkemikalien som produceras av neuronen som aktiverade spottbeteendet. I själva verket vände det neuronen för att spotta av sig och lämnade neuronen för att svälja konstant på. Erfarenheten hade samma överföringseffekt som stark träning gjorde i de tidigare experimenten: Timmar senare bildade sniglarna ett långtidsminne av den svaga träningen.

Forskarna kartlägger noggrant och elegant processen från "beteendet till den elektrofysiologiska grunden för denna interaktion mellan tidigare och nya minnen", sa forskarna. Pedro Jacob, en postdoktor vid University of Oxford som inte var involverad i studien. "Att ha kunskapen om hur mekanistiskt detta händer är intressant eftersom det förmodligen är bevarat över arter."

Frank är dock inte helt övertygad om att sniglarnas misslyckande att få i sig smaksatt vatten efter den svaga träningen betyder att de inte har något minne från det. Du kan ha ett minne men inte agera på det, sa han, så att göra den skillnaden kan kräva uppföljande experiment.

Mekanismerna bakom inlärning och minne är förvånansvärt lika i blötdjur och däggdjur som människor, sa Glanzman. Så vitt författarna vet har denna exakta mekanism inte visats hos människor, sa Crossley. "Det kan vara en allmänt bevarad egenskap och därför en som förtjänar ytterligare uppmärksamhet," sade han.

Det skulle vara intressant att studera om en förändring i uppfattning kan göras mer permanent, sa Glanzman. Han misstänker att detta kan vara möjligt om sniglarna får en aversiv stimulans, något som gör dem sjuka istället för något de gillar.

För tillfället är Crossley och hans team nyfikna på vad som händer i hjärnan på dessa sniglar när de utför flera beteenden, inte bara öppna eller stänger munnen. "Det här är ganska fascinerande varelser," sa Crossley. "Du förväntar dig inte riktigt att dessa djur ska kunna göra den här typen av komplexa processer."

Redaktörens anteckning: Loren Frank är en utredare vid Simons Foundations Autism Research Initiative (SFARI). Simons Foundation finansierar också Quanta som en redaktionellt oberoende tidning. Finansieringsbeslut har inget inflytande på vår täckning.