Minnen är petiga. Jag har turnerat i Atlantic Canada de senaste tre veckorna, och redan minns mitt minne av resan – datum, platser, mat, äventyr – inte stämmer överens med nålar på Google Maps eller journalanteckningar. Min hjärna lärde sig nya upplevelser och kodade minnen – bara inte tillräckligt starkt för att hålla ens en vecka.
Minnesretention blir värre med åldern. För personer med hjärnskador, till exempel från en stroke eller fysiskt trauma i hjärnan, kan funktionsnedsättningen vara fullständigt försvagande. Tänk om det fanns ett sätt att på konstgjord väg öka hjärnans förmåga att behålla minnen?
Idén låter som en Svart spegel episod. Men denna månad, en ny studie in Gränser inom mänsklig neurovetenskap gav några av de första bevisen på att en "minnesprotes" är möjlig hos människor. Protesen är inte en anordning; snarare är det en serie elektroder implanterade inuti hippocampus - en struktur begravd djupt i hjärnan som är avgörande för episodiska minnen - som kodar när, var och vad av våra dagliga upplevelser.
Installationen bygger på en helt oromantisk syn på minnet. Snarare än vågorna av rika, detaljerade, känslomässiga minnen som svämmar över våra hjärnor, menar det att minnen helt enkelt är elektriska signaler som genereras av en välreglerad neural motorväg inne i hippocampus. Om vi kan fånga dessa signaler medan en person lär sig, så skulle vi i teorin kunna spela upp inspelningarna till hjärnan – i form av elektriska drag – och potentiellt öka just det minnet.
Teamet byggde på sitt tidigare arbete med att konstruera minnesproteser. Hos personer med epilepsi visade de att genom att återinföra neurala signaler som kodar en typ av minne i en specifik uppgift, ökade zaps återkallelsen med över 50 procent.
Studien involverade en liten kohort. Men otroligt nog visade de som led av tidigare minnesförlust de bästa förbättringarna.
För att vara tydlig, utvecklade teamet inte en videokamera för minne. Systemet härmar delvis hippocampus normala process för minneskodning och återkallande, vilket kan vara notoriskt subjektivt och något opålitligt. En liknande minnesprotes kanske inte fungerar bra i den verkliga världen, där vi ständigt bombarderas med nya upplevelser och minnen.
Som sagt, studien visar ett sätt att hjälpa personer med demens, Alzheimers eller andra orsaker till minnesförlust att behålla bitar av sina liv som annars skulle kunna gå förlorade.
"Det är en inblick i framtiden av vad vi kan göra för att återställa minnet," sade Dr Kim Shapiro vid University of Birmingham, som inte var involverad i studien, att MIT Technology Review.
Hur fungerar det?
Allt beror på de elektriska pulserna som omger hippocampus och inuti den.
Låt oss zooma in. Hippocampus, en sjöhästformad struktur, beskrivs ofta som ett monolitiskt nav för minnen. Men – infoga matanalogi – snarare än ett enhetligt ostblock, det är mer som en ostdopp i flera lager, med elektriska pulser som flödar genom olika lager när den kodar, behåller och återkallar minnen.
För minnesprotesen fokuserade teamet på två specifika regioner: CA1 och CA3, som bildar en mycket sammankopplad neural krets. Årtionden av arbete med gnagare, primater och människor har pekat på denna neurala motorväg som kärnan för att koda minnen.
Teammedlemmarna, ledda av Drs. Dong Song från University of Southern California och Robert Hampson vid Wake Forest School of Medicine är inte främmande för minnesproteser. Med "minnesbioingenjören" Dr Theodore Berger – som har arbetat med att kapa CA3-CA1-kretsen för minnesförbättring i över tre decennier – hade drömteamet sin första framgång hos människor 2015.
Den centrala idén är enkel: replikera hippocampus signaler med en digital ersättning. Det är ingen lätt uppgift. Till skillnad från datorkretsar är neurala kretsar icke-linjära. Detta innebär att signaler ofta är extremt brusiga och överlappar varandra i tid, vilket stärker - eller hämmar - neurala signaler. Som Berger sa då: "Det är en kaotisk svart låda."
För att knäcka minneskoden arbetade teamet fram två algoritmer. Den första, som kallas minnesavkodningsmodell (MDM), tar ett genomsnitt av de elektriska mönstren över flera personer när de bildar minnen. Den andra, som kallas multi-input, multi-output (MIMO), är lite mer sofistikerad, eftersom den innehåller både ingångs- och utgående elektriska mönster – det vill säga CA3-CA1-kretsen – och härmar dessa signaler i både rymd och timing. I teorin borde pulserande av både elektriska signaler baserade på MDM och MIMO tillbaka in i hippocampus ge det ett uppsving.
I en serie experiment, först hos råttor och apor, Sedan i friska människor, fann teamet att deras minnesproteser kunde förbättra minnet när neurala kretsar tillfälligt stördes, till exempel med droger. Men det räcker inte med att kringgå skadade kretsar – det de ville ha var en riktig minnesprotes som kunde ersätta hippocampus om skadad.
En helt ny värld
Den nya studien gynnades av en värdefull neurovetenskaplig resurs: personer med epilepsi som har elektroder implanterade i minnesrelaterade områden i sina hjärnor. Implantaten, djupt inne i hjärnan, hjälper neurokirurger att spåra källan till människors anfall. Bland de 25 utvalda deltagarna uppvisade vissa inte andra symtom än epilepsi, medan andra hade lindriga till måttliga hjärnskador.
Här är testet. Deltagarna fick se en bild på en skärm och efter en fördröjning fick de se samma bild med upp till sju olika alternativ. Deras mål var att välja ut den välbekanta bilden. Varje deltagare cyklade snabbt igenom 100-150 försök, under vilka deras hippocampala aktivitet registrerades för att fånga deras korttidsminne.
Efter minst 15 minuter fick deltagarna se 3 bilder och ombads rangordna bekantheten hos var och en. Det är en knepig uppgift: en var en exempelbild från rättegången, en annan ett alternativ som verkade bekant och en som aldrig tidigare setts. Detta var avsett att fånga deras långtidsminne.
Framåtblick. En dag mellan att ta bort elektroderna genomgick deltagarna ytterligare en omgång minnestester liknande de tidigare. Vissa människor fick elektrisk stimulering baserad på sina egna neurala signaler, bearbetade av antingen MDM- eller MIMO-algoritmen. Andra blev zappade med slumpmässiga pulser. Den sista gruppen fick ingen stimulans alls.
Genom att stimulera hjärnan hos personer med epilepsi ökade minnesprestanda med ungefär 15 procent. De som pulserade med MDM - som använder de genomsnittliga elektriska signalerna - hade en ynka 13.8 procents ökning. Däremot fick MIMO-modellen, som efterliknar neurala signaler från varje hippocampi, deras prestanda att förbättras med 36 procent.
"Oavsett utgångsminnesfunktion (nedsatt jämfört med normal), ger MIMO-modellen minst dubbelt så mycket underlättande jämfört med MDM-modellen," sa teamet.
Den långa vägen framåt
Även om den är lovande, är studien bara nästa lilla steg mot en hippocampusprotes. Eftersom deltagarna fick sina elektroder borttagna efter det andra testet, vet vi inte om – och inte heller hur länge – effekterna varade, eller om kontinuerlig stimulering är nödvändig.
Även om en minnesprotetik kan vara till nytta för personer med Alzheimers, behöver många fler detaljer redas ut. Elektrodinstallationen här är relativt grov - skulle en mikroarray eller en icke-invasiv enhet vara möjlig? Om så är fallet, ska enheten vara påslagen 24/7? När allt kommer omkring kommer vi inte ihåg alla våra minnen – det finns en sorts synaptisk "utrensning" som tros inträffa under sömnen.
För närvarande är tekniken långt ifrån redo för klinisk användning. Men det är en glimt av vad som kan vara. Åtminstone visar studien att, liknande en hjärnkontrollerad protetisk lem, ett minneschip är inte omöjligt för människor som behöver det mest.
