Πώς ο εγκέφαλος αποφασίζει τι να θυμάται

Καθημερινά, ο εγκέφαλός μας αποφασίσει να δημιουργεί αναμνήσεις από εντυπώσεις της μιας στιγμής, αναλαμπές έμπνευσης ή επώδυνες στιγμές, όλα τους κομμάτια του εαυτού μας που μας δείχνουν πώς κινούμαστε μέσα στον κόσμο που ζούμε.

Όμως πώς αποφασίζει ο εγκέφαλός μας ποια στιγμή θα κρατήσει και για πόσο καιρό;

Πρόσφατη έρευνα που δημοσιεύθηκε στο Nature, δείχνει ότι η μακροπρόθεσμη μνήμη σχηματίζεται από έναν καταρράκτη μοριακών χρονομέτρων που εξαπλώνονται σε διάφορες περιοχές του εγκεφάλου. Με ένα μοντέλο εικονικής πραγματικότητας σε ποντίκια, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ο συντονισμός της μακροπρόθεσμης μνήμης γίνεται από ρυθμιστές – κλειδιά, που είτε προάγουν τις μνήμες σε προοδευτικά πιο διαρκείς μορφές, είτε τις υποβαθμίζουν μέχρι να ξεχαστούν.

«Αυτή είναι μια βασική αποκάλυψη που εξηγεί πώς προσαρμόζουμε την ανθεκτικότητα των αναμνήσεων. Αυτό που επιλέγουμε να θυμόμαστε είναι μια συνεχώς εξελισσόμενη διαδικασία και όχι το πάτημα ενός διακόπτη, μια φορά», ανέφερε η Πρίγια Ρατζασετουπάτι, επικεφαλής του Εργαστηρίου Νευρωνικής Δυναμικής και Γνωστικής λειτουργίας της Οικογένειας Skoler Horbach.

Αφού σχηματιστεί η βασική μνήμη στον ιππόκαμπο, 3 ρυθμιστές διασφαλίζουν την αρχική διατήρησή της. Με την πάροδο του χρόνου, οι 2 ρυθμιστές προωθούν την κυτταρική προσκόλληση και υποστήριξη για περαιτέρω διατήρηση της μνήμης και ο 3ος καθιστά τη μνήμη πιο επίμονη.

Οι αναμνήσεις ανάλογα με την ένταση και την επαναληψιμότητα φτάνουν μέχρι και την κυτταρική μνήμη

Η επιμονή της μνήμης

Επί δεκαετίες, η έρευνα για τη μνήμη επικεντρωνόταν σε δύο περιοχές του εγκεφάλου: τον ιππόκαμπο – το σπίτι της βραχυπρόθεσμης μνήμης, και τον φλοιό – ο οποίος θεωρούνταν ότι φιλοξενεί μακροπρόθεσμες μνήμες. Οι επιστήμονες φαντάζονταν ότι οι τελευταίοι βρίσκονται κλειδωμένοι πίσω από βιολογικούς διακόπτες που ανοιγοκλείνουν.

«Τα υπάρχοντα μοντέλα μνήμης στον εγκέφαλο περιελάμβαναν μόρια μνήμης που μοιάζουν με τρανζίστορ και λειτουργούν ως διακόπτες», είπε η Ρατζασετουπάτι.

Με άλλα λόγια, σε αυτό το μοντέλο, εάν μια βραχυπρόθεσμη μνήμη είχε επισημανθεί για μακροπρόθεσμη αποθήκευση, θα παρέμενε έτσι επ’ αόριστον. Αλλά ακόμη και όταν οι έρευνες σε αυτό το πνεύμα οδήγησαν σε πολυάριθμες γνώσεις, οι ερευνητές κατάλαβαν ότι αυτό το μοντέλο ήταν τελικά πολύ απλό – για παράδειγμα, δεν λάμβανε υπόψη γιατί ορισμένες μακροπρόθεσμες αναμνήσεις κρατούν κάποιες εβδομάδες, ενώ άλλες διαρκούν μια ζωή.

Στη συνέχεια, το 2023, η Ρατζασετουπάτι και οι συνεργάτες της δημοσίευσαν μια εργασία που αναγνώρισε μια εγκεφαλική οδό που συνδέει τις βραχυπρόθεσμες και τις μακροπρόθεσμες αναμνήσεις. Ένα σημαντικό συστατικό της, είναι μια περιοχή στο κέντρο του εγκεφάλου που ονομάζεται θάλαμος, η οποία όχι μόνο βοηθά στην επιλογή των αναμνήσεων που πρέπει να θυμόμαστε, αλλά τις κατευθύνει στον φλοιό για μακροπρόθεσμη σταθεροποίηση.

Τα ευρήματα έθεσαν το έδαφος για την αντιμετώπιση ορισμένων από τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα στον τομέα της έρευνας για τη μνήμη: Τι συμβαίνει με τις αναμνήσεις πέρα ​​από τη βραχυπρόθεσμη αποθήκευση στον ιππόκαμπο – και ποιοι μοριακοί μηχανισμοί βρίσκονται πίσω από τη διαδικασία ταξινόμησης που προωθεί σημαντικές αναμνήσεις στον φλοιό και υποβιβάζει τις ασήμαντες σε λήθη;

Για να απαντήσει σε αυτά τα ερωτήματα, η ομάδα ανέπτυξε ένα μοντέλο συμπεριφοράς χρησιμοποιώντας ένα σύστημα εικονικής πραγματικότητας όπου τα ποντίκια σχημάτιζαν συγκεκριμένες αναμνήσεις. «Ο Αντρέα Τερσέρος, μεταδιδακτορικός στο εργαστήριό μου, δημιούργησε ένα κομψό μοντέλο συμπεριφοράς που μας επέτρεψε να ξεπεράσουμε αυτό το πρόβλημα με έναν νέο τρόπο. Με τη διαφοροποίηση της συχνότητας επανάληψης ορισμένων εμπειριών, καταφέραμε να κάνουμε τα ποντίκια να θυμούνται κάποια πράγματα καλύτερα από άλλα, και στη συνέχεια να εξετάσουμε τον εγκέφαλο για να δούμε ποιοι μηχανισμοί συσχετίζονταν με την επιμονή της μνήμης», είπε η Ρατζασετουπάτι.

Αλλά ο συσχετισμός δεν ήταν αρκετός. Για να αποδείξει την αιτία, η επίσης επικεφαλής της μελέτης Σελίν Τσεν ανέπτυξε μια πλατφόρμα διαλογής CRISPR για τον χειρισμό γονιδίων στον θάλαμο και τον φλοιό. Με αυτό το εργαλείο, μπόρεσαν να αποδείξουν ότι η αφαίρεση ορισμένων μορίων επηρέασε τη διάρκεια της μνήμης. Για κάθε μόριο που αφαιρέθηκε η διάρκεια της μνήμης επηρεάστηκε σε διαφορετικό βαθμό.

Προγραμματισμένη εισαγωγή

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μακροπρόθεσμη μνήμη δεν διατηρείται από έναν μόνο (μοριακό) διακόπτη on/off, αλλά από μια σειρά γονιδιακών ρυθμίσεων που ξεδιπλώνονται με την πάροδο του χρόνου και σε όλες τις περιοχές του εγκεφάλου σαν μια αλληλουχία μοριακών χρονομέτρων.

Τα αρχικά χρονόμετρα ενεργοποιούνται γρήγορα και εξασθενούν εξίσου γρήγορα, επιτρέποντας την ταχεία λήθη. Τα μεταγενέστερα χρονόμετρα δρουν πιο αργά, αλλά δημιουργούν αναμνήσεις που κρατούν περισσότερο. Αυτή η σταδιακή διαδικασία επιτρέπει στον εγκέφαλο να προωθεί σημαντικές εμπειρίες σε μακροπρόθεσμη αποθήκευση, ενώ οι υπόλοιπες εξασθενούν.

Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την επανάληψη ως δείκτη σπουδαιότητας, συγκρίνοντας αναμνήσεις από συχνά επαναλαμβανόμενες καταστάσεις με αναμνήσεις που συναντώνται λιγότερο συχνά.

Η ομάδα εντόπισε τρεις μεταγραφικούς ρυθμιστές: Camta1 και Tcf4 στον θάλαμο και Ash1l στον πρόσθιο φλοιό του προσαγωγίου, οι οποίοι δεν είναι απαραίτητοι για τον αρχικό σχηματισμό μνήμης, αλλά είναι κρίσιμοι για τη διατήρησή της. Η διακοπή των Camta1 και Tcf4 διαταράσσει τις λειτουργικές συνδέσεις μεταξύ του θαλάμου και του φλοιού, οδηγώντας σε απώλεια μνήμης.

Κυτταρική μνήμη

Δηλαδή, αφού σχηματιστεί η βασική μνήμη στον ιππόκαμπο, η Camta1 και οι στόχοι της διασφαλίζουν την αρχική διατήρηση της μνήμης. Με την πάροδο του χρόνου, η Tc4 και οι στόχοι της ενεργοποιούνται επιτυγχάνοντας κυτταρική προσκόλληση και δομική υποστήριξη για την περαιτέρω διατήρηση της μνήμης. Τέλος, η Ash1l στρατολογεί προγράμματα αναδιαμόρφωσης χρωματίνης που καθιστούν τη μνήμη πιο επίμονη.

«Αν δεν προωθήσετε τις αναμνήσεις σε αυτούς τους χρονοδιακόπτες, να είστε προετοιμασμένοι να τις ξεχάσετε γρήγορα», τόνισε η Ρατζασετουπάτι.

Ο τρίτος ρυθμιστής Ash1l ανήκει σε μια οικογένεια πρωτεϊνών (ιστονικές μεθυλοτρανσφεράσες), οι οποίες διατηρούν τη μνήμη και σε άλλα βιολογικά συστήματα. «Στο ανοσοποιητικό σύστημα, αυτές οι πρωτεΐνες βοηθούν το σώμα να θυμάται παρελθούσες λοιμώξεις. Επίσης κατά την ανάπτυξη, βοηθούν τα κύτταρα να θυμούνται ότι έχουν γίνει νευρώνες ή μυς και να διατηρούν την ταυτότητά τους μακροπρόθεσμα. Ο εγκέφαλος μπορεί να χρησιμοποιεί ξανά αυτές τις πανταχού παρούσες μορφές κυτταρικής μνήμης για να υποστηρίξει γνωστικές μνήμες», ανέφερε η Ρατζασετουπάτι.

Αλτσχάιμερ

Τα ευρήματα μπορεί να έχουν επιπτώσεις και σε ασθένειες που σχετίζονται με τη μνήμη.

Η Ρατζασετουπάτι υποψιάζεται ότι εντοπίζοντας τα γονιδιακά προγράμματα που διατηρούν τη μνήμη, οι ερευνητές μπορεί τελικά να βρουν τρόπους για να δρομολογήσουν τη μνήμη μέσω εναλλασσόμενων κυκλωμάτων και γύρω από κατεστραμμένα μέρη του εγκεφάλου σε καταστάσεις όπως η νόσος Αλτσχάιμερ. Όπως είπε χαρακτηριστικά, «αν γνωρίζουμε τη δεύτερη και την τρίτη περιοχή που είναι σημαντικές για την ενοποίηση της μνήμης και έχουμε νευρώνες που πεθαίνουν στην πρώτη περιοχή, ίσως μπορούμε να παρακάμψουμε την κατεστραμμένη περιοχή και να αφήσουμε τα υγιή μέρη του εγκεφάλου να αναλάβουν τον έλεγχο».

Τα επόμενα βήματα της Ρατζασετουπάτι θα επικεντρωθούν στην αποκάλυψη του τρόπου με τον οποίο ενεργοποιούνται οι διάφοροι μοριακοί χρονοδιακόπτες και τι καθορίζει τη διάρκειά τους. Ουσιαστικά, τι λέει στον εγκέφαλο πόσο σημαντική είναι μια μνήμη και πόσο πρέπει να διαρκέσει; Το εργαστήριό της επικεντρώνεται ιδιαίτερα στον ρόλο του θαλάμου, τον οποίο έχουν αναγνωρίσει ως κρίσιμο κόμβο λήψης αποφάσεων σε αυτή τη διαδικασία.

«Ενδιαφερόμαστε να κατανοήσουμε τη ζωή μιας μνήμης πέρα ​​από τον αρχικό σχηματισμό της στον ιππόκαμπο. Πιστεύουμε ότι ο θάλαμος και οι παράλληλες ροές επικοινωνίας του με τον φλοιό είναι καθοριστικές σε αυτή τη διαδικασία», κατέληξε η ερευνήτρια.