Geheugen gekoppeld aan specifieke hersencellen

Gelukkige of angstaanjagende herinneringen, zoals de eerste kus of een hobbel in de nacht, laten geheugensporen of engrammen achter die we kunnen stimuleren wanneer we dingen in het verleden herinneren, compleet met tijd, plaats en alle sensaties die we hebben ervaren.
Het online dagboek Natuur onthult het antwoord op de vraag of deze engrammen conceptueel zijn of dat ze bestaan ??uit een fysiek netwerk van neuronen in de hersenen. Onderzoekers van het MIT besloten om te demonstreren dat herinneringen zich inderdaad in specifieke hersencellen bevinden en dat door slechts een klein deel van deze cellen te activeren, een persoon een hele geheugengebeurtenis kan oproepen. Dit zou bijvoorbeeld verklaren hoe Marcel Proust herinneringen aan zijn jeugd kon herinneren aan de geur van een Madeleine-koekje dat hij als kind liefhad.
De vooraanstaande onderzoeker Susumu Tonegawa, de Picower hoogleraar biologie en neurowetenschappen aan het MIT, zegt:

"We tonen aan dat gedrag dat is gebaseerd op high-level cognitie, zoals de expressie van een specifiek geheugen, kan worden gegenereerd in een zoogdier door zeer specifieke fysieke activering van een specifieke kleine subpopulatie van hersencellen, in dit geval door licht. Een streng ontworpen test uit de 21ste eeuw van de Canadese neurochirurg Wilder Penfield's vroege observatie uit de vroege jaren 1900, suggererend dat de geest op materie is gebaseerd. "

Penfield's epilepsiebehandeling bestond uit het uithollen van delen van de hersenen van de patiënt waar de aanvallen vandaan kwamen. Vervolgens stimuleerde hij de hersenen met kleine schokken van elektriciteit om ervoor te zorgen dat alleen de problematische neuronen werden vernietigd, terwijl de lokaal verdoofde patiënten tijdens de procedure meldden wat ze hadden meegemaakt.
Toen Penfield slechts een paar neuronen in de hippocampus stimuleerde, waarvan nu bekend is dat ze betrokken zijn bij het vormen en herinneren van episodische herinneringen, was hij verbaasd te constateren dat sommige patiënten zich levendig volledig uitgebreide gebeurtenissen herinnerden.
Sindsdien is dit de oorzaak van voortgezette onderzoeken. Tot nu toe konden onderzoekers echter niet bewijzen dat, om geheugenherinnering te veroorzaken, het voldoende is om de hippocampus eenvoudigweg opnieuw te activeren.
Zeven jaar geleden ontdekten wetenschappers een nieuwe technologie genaamd optogenetica die in staat is om genetisch gemodificeerde neuronen te stimuleren, zodat het licht-geactiveerde eiwitten tot expressie brengt. Co-auteur Xu Liu, een postdoc in het laboratorium van Tonegawa zegt:

"We dachten dat we deze nieuwe technologie konden gebruiken om de hypothese over geheugencodering en opslag direct te testen in een mimicry-experiment."

Steve Ramirez, een andere co-auteur en een afgestudeerde student in het lab van Tonegawa voegt eraan toe:

"We wilden een geheugen kunstmatig activeren zonder de gebruikelijke vereiste zintuiglijke ervaring, die experimenteel bewijs levert dat zelfs efemere verschijnselen, zoals persoonlijke herinneringen, verblijven in de fysieke machinerie van de hersenen."

De eerste stap van hun experiment was het identificeren van een specifieke reeks hersencellen in de hippocampus die alleen actief was toen een muis een nieuwe omgeving verkent. Zodra ze vaststelden welke genen werden geactiveerd in de hersencellen, koppelden ze ze aan het gen voor channelrhodopsin-2 (ChR2), een licht-geactiveerd eiwit dat wordt gebruikt in optogenetica.
Vervolgens implanteerden ze het gekoppelde gen in de dentate gyrus van de muis, een deel van de hippocampus dat dacht bij te dragen aan de vorming van nieuwe herinneringen, zodat ze de muizen konden bestuderen met behulp van kleine optische vezels om lichtpulsen aan de neuronen af ??te geven.
Ze vonden een ingenieuze manier om het fysieke netwerk van neuronen gekoppeld aan een specifiek geheugen-engram voor een bepaalde ervaring te labelen door ervoor te zorgen dat het door licht geactiveerde eiwit alleen tot expressie zou worden gebracht in de neuronen die betrokken zijn bij ervaringsleren.
De muizen kregen vervolgens toestemming om een ??nieuwe omgeving binnen te gaan en kregen een kleine schok aan de voet na een paar minuten van onderzoek, wat hen leerde te vrezen voor de specifieke omgeving waarin zij de schok ervoeren.
De onderzoekers labelden vervolgens de hersencellen met ChR2, die werden geactiveerd op het moment dat de muizen angst ervoeren en observeerden dat deze neuronen die betrokken waren bij het angstgeheugen werden ingeschakeld toen de muizen later werden blootgesteld aan triggerende lichtpulsen in een compleet andere omgeving, en dat de muizen snel een defensieve, onbeweeglijke hurken namen.
Het resultaat van dit door licht geïnduceerde bevriezen geeft aan dat de dieren inderdaad de herinnering aan geschokt zijn opgevat en een herhaling van een angstig geheugen hebben waargenomen, ook al werd het geheugen kunstmatig gereactiveerd. Liu zegt:

"Onze resultaten laten zien dat herinneringen echt in zeer specifieke hersencellen verblijven en simpelweg door deze cellen te reactiveren met fysieke middelen, zoals licht, kan een volledig geheugen worden opgeroepen."

Tonegawa verwijst naar de 17de-eeuwse Franse filosoof die schreef: "Ik denk, daarom ben ik", zeggende:

"René Descartes geloofde niet dat de geest kan worden bestudeerd als een natuurwetenschap, hij had ongelijk, deze experimentele methode is de ultieme manier om aan te tonen dat de geest, net als het herinneren van herinneringen, gebaseerd is op veranderingen in de materie."

De aanpak zou ook potentieel kunnen worden gebruikt bij het bestuderen van neurodegeneratieve en neuropsychiatrische stoornissen.
Ramirez zegt:

"Hoe meer we weten over de bewegende delen waaruit onze hersenen bestaan, hoe beter we in staat zijn om uit te zoeken wat er gebeurt wanneer hersenstukken stukgaan."

Geschreven door Petra Rattue