Poznaj dwóch naukowców, którzy wszczepili fałszywą pamięć myszy

Był dzień przed Bożym Narodzeniem, a zwykle zajęte laboratorium MIT przy Vassar Street w Cambridge było cicho. Ale stworzenia zdecydowanie się poruszały, w tym mysz, która wkrótce stanie się znana na całym świecie.

Powiązane odczyty

Moonwalking With Einstein: The Art and Science of Remembering Everything

Kupować

powiązana zawartość

• Implanty mózgu mogą wstrząsnąć uszkodzonymi wspomnieniami z powrotem do kształtu

Steve Ramirez, wówczas 24-letni doktorant, umieścił mysz w małym metalowym pudełku z czarną plastikową podłogą. Zamiast ciekawskiego węszenia, zwierzę natychmiast zamarło w przerażeniu, przypominając sobie doświadczenie wstrząsu stopy w tym samym pudełku. Była to podręcznikowa reakcja strachu, a postawa myszy była sztywniejsza niż się spodziewał Ramirez. Pamięć o traumie musiała być dość żywa.

Co było niesamowite, ponieważ pamięć była fałszywa: mysz nigdy nie doznała porażenia prądem w tym pudełku. Reagował raczej na fałszywą pamięć, którą Ramirez i jego kolega z MIT, Xu Liu, umieścili w jego mózgu.

„Merry Freaking Christmas” - czytamy w temacie e-maila, który Ramirez wystrzelił do Liu, który spędził wakacje 2012 w Parku Narodowym Yosemite.

Obserwacja zakończyła się ponad dwa lata długofalowego wysiłku badawczego i poparła niezwykłą hipotezę: nie tylko możliwe było zidentyfikowanie komórek mózgowych zaangażowanych w kodowanie pojedynczej pamięci, ale te konkretne komórki można było zmanipulować, aby stworzyć zupełnie nowy „Pamięć” wydarzenia, które nigdy się nie wydarzyło.

„To fantastyczny wyczyn” - mówi Howard Eichenbaum, wiodący badacz pamięci i dyrektor Center for Neuroscience na Uniwersytecie Bostońskim, gdzie Ramirez wykonywał pracę licencjacką. „To prawdziwy przełom, który pokazuje moc tych technik w rozwiązywaniu podstawowych pytań dotyczących działania mózgu”.

W przełomie neuronauki duet wszczepił myszy fałszywą pamięć

Perspektywa majstrowania dokładnie przy pamięci kusziła naukowców od lat. „Wiele osób myślało w tym kierunku”, mówi Sheena Josselyn, starsza neuronaukowa ze szpitala dla chorych dzieci w Toronto, która bada komórkowe podstawy pamięci, „ale nigdy nie marzyły, że te eksperymenty rzeczywiście się sprawdzą. Nikt nigdy nie pomyślał, że naprawdę możesz to zrobić. ”

Z wyjątkiem Ramireza i Liu. Ich praca zapoczątkowała nową erę badań nad pamięcią i może kiedyś doprowadzić do nowych metod leczenia dolegliwości medycznych i psychiatrycznych, takich jak depresja, zespół stresu pourazowego i choroba Alzheimera. „Niebo jest teraz naprawdę granicą”, mówi Josselyn.

Chociaż dotychczas praca została wykonana na myszach laboratoryjnych, odkrycia duetu otwierają głębszą linię myślenia o ludzkiej naturze. Jeśli wspomnienia można dowolnie manipulować, co to znaczy mieć przeszłość? Jeśli możemy wymazać złe wspomnienia lub stworzyć dobre, jak rozwinąć prawdziwe poczucie własnej wartości? „Pamięć to tożsamość”, pisze brytyjski pisarz Julian Barnes w swoim pamiętniku Nothing to Be Boight Of. „Jesteś tym, co zrobiłeś; to, co uczyniłeś, jest w twojej pamięci; to, co pamiętasz, określa, kim jesteś. ”

***

Naukowcy pytają: czy możemy interweniować w stanie depresji, reaktywując pozytywne wspomnienia? (Irvin Serrano) Około 5 procent miliona komórek zakrętu zębatego jest aktywnych, gdy mysz koduje pamięć miejsca. Tutaj aktywne komórki są różowe i pomarańczowe. (Xu Liu i Steve Ramirez) W tym widoku mózgu myszy komórki, które Steve Ramirez i Xu Liu mogą kontrolować światłem, wydają się czerwone. Inne aktywne komórki są zielone. (Steve Ramirez i Xu Liu) Komórki aktywne podczas pojedynczej pamięci często różnią się aktywnością genów, czerwoną od zielonej. Zrozumienie różnic może zwiększyć efektywność manipulacji pamięcią. (Steve Ramirez i Xu Liu) Na tym obrazie komórki w mózgu myszy są oznaczone zgodnie z ich wiekiem. Komórki młodsze niż trzy tygodnie, w kolorze czerwonym, są ledwo aktywne podczas tworzenia pamięci. (Steve Ramirez i Xu Liu)

„Zawsze byłem zdumiony poziomem kontroli, jaką nauka może mieć nad światem”, mówi Ramirez, który jako dziecko zbierał skały i pamięta, że ​​był zdumiony, że tak naprawdę istniały sposoby, aby dowiedzieć się, ile lat miały skały. „Ten przykład jest już banalny”, mówi, „ale jako gatunek stawiamy kogoś na Księżycu. I w większości wymyśliliśmy, jak wyeliminować takie rzeczy, jak ospa, rzeczy, których nie widać, o których istnieniu należy wnioskować na podstawie pomiarów pośrednich, dopóki mikroskopy nie staną się wystarczająco dobre. ”

Ramirez, obecnie 26 lat i Liu, 36 lat, byli w stanie zobaczyć i kontrolować migotliwe skupiska neuronów, znane jako engramy, w których przechowywane są indywidualne wspomnienia. Łącząc siły pod koniec 2010 r., Kilka miesięcy po rozpoczęciu przez Ramireza pracy dyplomowej w MIT, obaj mężczyźni opracowali nową, wyszukaną metodę badania żywych mózgów w działaniu, system, który łączy klasyczną biologię molekularną z nową dziedziną optogenetyki, w której lasery są wykorzystywane do stymulowania komórek genetycznie zmodyfikowanych, aby były wrażliwe na światło.

Uzbrojony w najnowocześniejsze narzędzia i wspierany przez Susumu Tonegawę MIT, laureata Nagrody Nobla za pracę w immunologii, której laboratorium byli częścią, Ramirez i Liu rozpoczęli misję, która zaowocowała dwoma przełomowymi badaniami opublikowanymi 16 miesięcy niezależnie od siebie, wybuchy blasku, które poprawiły nasze rozumienie pamięci na poziomie komórkowym. Ramirez opisuje odkrycia, tak jak robi prawie wszystko, z entuzjazmem: „Pierwszy papier był jak złapanie błyskawicy w butelce, a drugi papier był jak błyskawica uderzająca dwukrotnie w to samo miejsce”.

Początek: jak Ramirez i Lieu stworzyli fałszywą pamięć w myszy laboratoryjnej. (Infografika 5W)

W pierwszym badaniu, opublikowanym w Nature w marcu 2012 r., Ramirez i Liu zidentyfikowali, oznakowali, a następnie reaktywowali małą grupę komórek kodujących pamięć strachu myszy, w tym przypadku pamięć środowiska, w którym mysz doznała wstrząsu stopy. Osiągnięcie to stanowi mocny dowód na utrzymującą się teorię, że wspomnienia są kodowane w engramach. Większość poprzednich prób polegała na śledzeniu aktywności chemicznej lub elektrycznej komórek mózgowych podczas tworzenia pamięci. Ramirez i Liu odrzucili te metody jako zbyt niedokładne. Zamiast tego opracowali spersonalizowany zestaw technik, aby uczynić mysie komórki mózgowe w ich obszarze docelowym (część hipokampa zwanym zakrętem zębatym) wrażliwymi na światło.

Pracując z wyspecjalizowaną rasą genetycznie zmodyfikowanych myszy laboratoryjnych, zespół wstrzyknął zakręcie zębatym koktajl biochemiczny, który zawiera gen wrażliwego na światło białka, channelrhodopsin-2. Aktywne komórki zakrętu zębatego - te uczestniczące w tworzeniu pamięci - wytwarzałyby białko, przez co same stawałyby się wrażliwe na światło. Pomysł polegał na tym, że po zakodowaniu pamięci można ją reaktywować poprzez zatarcie tych komórek laserem.

Aby to zrobić, Ramirez i Liu chirurgicznie wszczepili cienkie włókna z lasera przez czaszki myszy do zakrętu zębatego. Ponowna aktywacja pamięci - i związana z nią reakcja strachu - były jedynym sposobem na udowodnienie, że faktycznie zidentyfikowali i nazwali engram. Naukowcy poświęcili zwierzęta po eksperymencie i zbadali tkanki mózgowe pod mikroskopem, aby potwierdzić istnienie engramów; komórki zaangażowane w określoną pamięć świeciły na zielono po traktowaniu chemikaliami, które zareagowały z rododopsyną-2.

Kiedy Ramirez i Liu spojrzeli na leczone neurony pod mikroskopem, „to było jak gwiaździsta noc”, mówi Liu, „gdzie widać pojedyncze gwiazdy.” Chociaż te aktywne komórki były tylko częścią szeroko rozpowszechnionego engramu wstrząsu stopy, ich ponowna aktywacja wystarczyła, aby wywołać reakcję strachu.

Kolejnym krokiem było zmanipulowanie konkretnego engramu w celu stworzenia fałszywej pamięci, elegancki eksperyment opisany szczegółowo w drugim artykule Ramireza i Liu, opublikowanym w Science w lipcu 2013 r. Przygotowali mysz, wstrzykując koktajl biochemiczny do zakrętu zębatego. Następnie wkładają mysz do pudełka, nie szokując go. Gdy zwierzę spędzało 12 minut na badaniu, pamięć o tym łagodnym doświadczeniu została zakodowana jako engram. Następnego dnia mysz została umieszczona w innym pudełku, w którym pamięć pierwszej (bezpiecznej) skrzynki została wywołana przez wystrzelenie lasera w zakręt zębaty. W tym samym momencie mysz doznała szoku stopy. Trzeciego dnia mysz wróciła do sejfu - i natychmiast zamarła ze strachu. Nigdy tam nie doznał wstrząsu stopy, ale jego fałszywa pamięć, stworzona przez naukowców w innym pudełku, sprawiła, że ​​zachowywał się tak, jakby miał.

Nie było szansy, że mysz pomyliła jedno pudełko z drugim: miały różne kształty i kolory i miały różne zapachy. Ramirez i Liu również używali wielu grup kontrolnych - wykluczając na przykład możliwość, że sam błysk lasera, a nie aktywacja engramu, wywołały reakcję strachu następnego dnia. Rzeczywiście stworzyli wspomnienie.

***

Ogłoszenie wywołało szaleństwo w mediach. „Naukowcy śledzą wspomnienia rzeczy, które nigdy się nie wydarzyły”, przeczytaj nagłówek w „ New York Timesie” . Ramirez i Liu obudzili się w środku nocy, aby przeprowadzić wywiady na żywo w europejskim radiu. Rodzice Liu w Chinach czytali o swoich osiągnięciach online. Publiczna fascynacja rolą fałszywej pamięci w procesach kryminalnych (wysoki, ciemnowłosy napad na bank, który widział świadek, był tak naprawdę krótki i łysy) pomógł poprowadzić tę historię. Ale bez wątpienia podteksty science fiction sprawiły, że było to szczególnie fascynujące. Dla wielu wydawało się to potwierdzać znane (i przerażające) pomysły z filmów takich jak Inception i Eternal Sunshine of the Spotless Mind . Nic nie jest takie, jak się wydaje; rzeczywistość jest tylko snem; komu zaufasz, ja lub twoje kłamliwe oczy?

Dla neurobiologów odkrycie Ramireza i Liu było wręcz szalone. „Dla mnie sukcesem była ich nieustraszoność” - mówi Josselyn. „Można sobie wyobrazić wszystkie rzeczy, które mogą się nie udać, ale ci goście weszli tam, mają najlepsze narzędzia, zastosowali najlepszą moc umysłu.” Eichenbaum zgadza się, że młodzi naukowcy „wyszli na nogi” i wzięli poważne ryzyko związane z karierą zawodową. „Mogli spędzić trzy lata i nie mieliby nic do pokazania” - mówi.

Poświęć trochę czasu na Ramireza i Liu, a szybko wyczujesz ich optymistyczne nastawienie. Pochodzą z różnych światów - Liu urodził się i wychował w Szanghaju, syn ojca inżyniera chemicznego i matki, która pracowała dla kolei, a rodzice Ramireza uciekli przed wojną domową w Salwadorze w latach 80. i osiedlili się w Everett w stanie Massachusetts - ale ich dobrze dobrane osobowości to nie przypadek. Jesienią 2010 r., Gdy Liu przeprowadzał wywiady z potencjalnymi partnerami w celu zbadania tajemnic pamięci, początkowo skoncentrował się na wiedzy naukowej. Ale w miarę upływu czasu umieścił na szczycie swojej listy życzeń inny atrybut - szczęście. „Jeśli zamierzasz współpracować z ludźmi, chcesz współpracować ze szczęśliwymi ludźmi”, mówi Liu. „A Steve jest jednym z najszczęśliwszych facetów, jakich kiedykolwiek widziałem.” Jest także szybkim gadułą, która wcisnęła wiele słów w każdy oddech. „Nie może przestać mówić” - żartuje Liu. „W przeciwnym razie umrze”.

***

Kiedy Ramirez był młody, często chodził z Harvardem do laboratorium poruszania się zwierząt z ojcem, który zaczął tam sprzątać klatki i zamiatać podłogi, a później został głównym technikiem zwierząt. Podczas wizyt w laboratorium Ramirez widział lamy, strusie i inne stworzenia oraz „ludzi robiących fajne rzeczy ze zwierzętami, wykonujących pomiary i inne”. Wyobraża sobie, że „przypadkowo coś pochłonął”, co pomogło mu popchnąć go w kierunku nauki.

Ale to mózg zawarł umowę. „Niezależnie od tego, czy był to sonet, czy skierowanie kogoś na Księżyc, czy odkrywanie biologicznych molekuł życia, wszystko to było produktem mózgu, aktywności neuronowej” - mówi Ramirez, opisując, jak jego szerokie zainteresowania - w Szekspir, inżynieria, biologia i nie tylko - w końcu doprowadził go do neuronauki. „Dlaczego nie zbadać tego, co wyprodukowało wszystko?”

Liu zademonstrował także naukowe podejście w młodym wieku. I chociaż z pewnością nie jest pierwszym naukowcem, który spędził dzieciństwo, zbierając błędy, poświęcenie Liu było charakterystyczne. Wychował rodziny stonóg, miał dużo błyszczących chrząszczy i trzymał szarańczę w małych klatkach. Zazwyczaj karmił szarańczę edamame, ale odkrył, że ostra papryka wywołała interesującą reakcję. „Zaśpiewaliby jeszcze więcej” - mówi. Po studiach biologicznych na studiach Fudan University w Szanghaju Liu uzyskał doktorat na Baylor College of Medicine, badając pamięć muszki owocowej.

Jako nastolatek zajmował się science fiction i napisał powieść „Wyzwanie” . Chodziło o przyszłość, w której sportowcy nie rywalizują już ze sobą bezpośrednio, lecz poddają się różnym obiektywnym pomiarom wydajności lub fizjologii: prędkości, siły, pojemności płuc i tak dalej. Bohater chce powrócić do prawdziwej konkurencji i przywrócić niezmierzone czynniki szczęścia i szansy.

Pewnego dnia zeszłej wiosny, gdy Liu wymieniał wiele rzeczy, które mogły pójść nie tak w jego pracy z Ramirezem - mogły zostać pobite do odkrycia przez rywalizujący zespół, mogli wybrać niewłaściwą część mózgu do zera dalej - powiedział, że był przekonany, że szczęście odegrało rolę w ich sukcesie. Jeśli tak, powiedziałem, to jego dorośli przedstawili temat swojej powieści z dzieciństwa. „To niesamowite” - powiedział po długiej ciszy. „Nigdy nie nawiązałem połączenia między książką a tym dziełem, ale myślę, że masz rację”.

Ponad dwa tuziny laboratoriów na całym świecie realizuje projekty oparte na badaniach Ramireza i Liu. Na przykład Eichenbaum jest zainteresowany odtworzeniem większego doświadczenia, pamięci, która pojawia się w czasie, jak nawigacja w labiryncie.

W czasach, gdy brakuje leczenia wielu poważnych chorób psychicznych, kuszące są potencjalne zastosowania kliniczne modyfikacji pamięci. „To trochę szalone”, mówi Josselyn, której praca koncentruje się na chorobie Alzheimera i innych zaburzeniach związanych z pamięcią, „ale może ktoś z chorobą Alzheimera ... może uda nam się znaleźć sposób, aby po prostu wejść i zrobić to, co zrobili ci faceci w swoich artykułach i sztucznie aktywować te komórki, zwiększyć aktywację i lepiej przywołać wspomnienia. ”

W innym zastosowaniu teoretycznym, PTSD można złagodzić poprzez wielokrotne reaktywowanie złej pamięci, aby pokazać, że sama pamięć nie jest szkodliwa, lub przez wymazanie traumatycznych składników określonej złej pamięci, lub poprzez zastąpienie jej pozytywną. Opierając się na pracy Ramireza i Liu, inni w laboratorium Tonegawa zrobili dokładnie to samo u samców myszy na początku tego roku, przekształcając negatywne wspomnienie wstrząsu stopy w pozytywne wspomnienie spotkania z samicą myszy.

Ramirez, który kończy doktorat na MIT, a Liu, który kieruje się na Northwestern University, aby założyć własne laboratorium, niedawno zadał sobie inne wielkie pytanie: czy możemy interweniować w stanie depresji u zwierzęcia, reaktywując pozytywne wspomnienia? Odpowiedź wydaje się twierdząca. Badają mysie modele anhedonii lub utraty zainteresowania przyjemnością, objawem depresji. Myszy eksperymentalne poddane stresowi, dopóki nie będą już szukać przyjemności (takie jak łyk cukru z wodą), odzyskają swoje zainteresowanie, gdy reaktywowane zostaną engramy dla przyjemnych doświadczeń. Dotychczasowy wskaźnik skuteczności wynosi 80 procent.

„Ponieważ istnieje dowód na to, że możemy sztucznie reaktywować wspomnienia i tworzyć fałszywe wspomnienia na zwierzętach”, mówi Ramirez, „jedynym krokiem między nimi a ludźmi są innowacje technologiczne”.

Co z etycznymi obawami związanymi z manipulowaniem pamięcią? Patricia Churchland, profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego i autor książki Touching a Nerve: The Self as Brain, twierdzi, że tego rodzaju terapia nie będzie tak głęboką zmianą, jak się wydaje. Ludzkie wspomnienia, początkowo niedokładne i nietrwałe, od dawna były celem interwencji, od terapii poznawczo-behawioralnej po elektrowstrząsy po leki. Leczenie stanów takich jak depresja na poziomie engramu „jest ciągłe w stosunku do tego, co już robimy”, mówi Churchland, wiodący filozof neurobiologii.

Ramirez uważa, że ​​operacja pamięci jest nieunikniona, choć należy odpowiedzieć na wiele pytań. Jak można to zrobić bezpiecznie? Nieinwazyjnie? Etycznie? Jak zostaną wybrani pacjenci? Choć bolesne zwykle jest bolesne, większość z nas uznaje również, że jest to naturalna, a nawet zdrowa część życia. Chłopiec z liceum, który właśnie zerwał ze swoją dziewczyną, może nie być dobrym kandydatem do operacji pamięci. Ale ludzie z demencją lub ciężką depresją - czy byłoby nieludzkie nie ulżyć ich cierpieniu, gdyby możliwa była skuteczna, bezpieczna interwencja pamięci?

Rozmaitości, które Ramirez i Liu wnieśli w mechanikę pamięci, otwierają nowy świat możliwości, które są głębokie, przerażające, zadziwiające i pilne. „Musimy wczoraj rozpocząć rozmowę o tym, co będziemy robić, kiedy to się stanie” - mówi Ramirez - „abyśmy byli gotowi i umieli sobie z tym poradzić”.