Het vermogen om herinneringen voor een paar dagen of een heel leven te onthouden en op te slaan is een belangrijke functie
Begrijpen hoe de hersenen informatie opslaan enreguleert welke herinneringen lang zullen blijven en welke zullen verdwijnen, zal helpen bij het ontwikkelen van methoden om het geheugen te versterken bij mensen die het risico lopen leeftijdsgebonden aandoeningen te ontwikkelen, en zal de normale hersenfunctie herstellen na een blessure.
Hoe werkt het geheugen?
Er worden verschillende soorten geheugen gemaakt en opgeslagenanders en in verschillende delen van de hersenen. Neurowetenschappers begrijpen de fijne kneepjes van alle processen nog niet volledig, ze blijven de details verfijnen en nieuwe hersenfuncties ontdekken. Het is echter bekend dat autobiografische herinneringen - herinneringen aan gebeurtenissen die persoonlijk zijn meegemaakt - vorm beginnen te krijgen in een deel van de hersenen dat de hippocampus wordt genoemd in de uren en dagen na de gebeurtenis.
Neuronen zijn de cellen van het zenuwstelsel die met elkaar communiceren.een ander via synapsen. Dit zijn gebieden waar twee cellen verbinding maken en "informatie" uitwisselen via een kleine opening met behulp van chemische berichten (neurotransmitters). Elk neuron kan via synapsen verbonden zijn met duizenden andere.
Interactie van neuronen onder een microscoop. Video: UC Berkeley
Een van de belangrijkste eigenschappen van neuronen is synaptischplastic. Dit is de naam die wordt gegeven aan het vermogen van synapsen om in de loop van de tijd sterker of zwakker te worden als reactie op een toename of afname van interactieactiviteit. Er wordt aangenomen dat langetermijnveranderingen in de efficiëntie van synapsen, afhankelijk van de frequentie van "gebruik", belangrijk zijn voor leren, geheugenvorming en neuronale ontwikkeling.
Neuronen produceren voortdurend nieuwe eiwitten voorhermodellering van delen van de synaps, zoals receptoren voor bepaalde neurotransmitters. Hierdoor kunnen zenuwcellen selectief hun verbindingen met elkaar versterken. Hierdoor wordt een netwerk gevormd dat het geheugen codeert. Hoe vaker een herinnering wordt 'geactiveerd', hoe sterker het neurale netwerk wordt. Dergelijke structuren reiken verder dan de hippocampus en vormen een langetermijngeheugen in verschillende delen van de hersenen.
Kun je herinneringen zien?
Aan het einde van de 19e eeuw creëerden wetenschappers de eerstemicroscopen zijn krachtig genoeg om individuele neuronen te identificeren. Tegen het midden van de volgende eeuw toonden elektronenmicroscopen synaptische structuren van slechts enkele tientallen nanometers breed, en later observeerden onderzoekers met behulp van twee-fotonenmicroscopen hoe synaptische verbindingen in realtime worden gevormd tijdens het leerproces.
Eén van de modellen die neurowetenschappers gebruikenvoor het werken met geheugen is het een engram. Dit is de naam die wordt gegeven aan het fysieke spoor (neuraal netwerk) van een bepaald geheugen in de hersenen. Engramcellen zijn populaties van neuronen waarvan de reactivering leidt tot het ophalen van individuele herinneringen.
Talrijke onderzoeken op het gebied van geneticamaakte het mogelijk om dergelijke engrammen te visualiseren. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld virussen gebruikt om een groen fluorescerend eiwit dat in kwallen voorkomt, in de hersenen van muizen te injecteren, waardoor neuronen gaan gloeien terwijl ze leren. En door het lichtgevoelige eiwit van algen, canalrhodopsin (ChR2), te introduceren, is het mogelijk om bepaalde neuronen kunstmatig te activeren, bepaalde engrammen "uit te schakelen" of "te starten".
Onderzoekers van MIT hebben dit bijvoorbeeld geïdentificeerdeen engram dat werd gevormd in de hersenen van muizen tijdens het proces van het leren van angst. Herhaalde kunstmatige activering van dit netwerk van neuronen met behulp van blauw licht zorgde ervoor dat de dieren ‘bevroren’, een karakteristieke reactie op gevaar.
Een andere methode om herinneringen te visualiseren isfunctionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI). Deze technologie is gebaseerd op de verbinding van neuronale activiteit met veranderingen in de bloedstroom in de hersenen. Door te observeren hoe de hemodynamiek (bloedbeweging) verandert, bepalen onderzoekers welke delen van de hersenen op een of ander moment actief zijn.
Met deze technologie kan bijv.Onderzoekers van de Universiteit van Oregon hebben AI getraind in het herkennen en reconstrueren van gezichtsbeelden die in het menselijk geheugen opduiken. Tijdens het trainingsproces kregen de deelnemers foto's te zien van de gezichten van verschillende mensen, en een computer verwerkte de fMRI-gegevens en genereerde patronen van hersenactiviteit die kenmerkend zijn voor elke foto.
Daarna kregen de deelnemers een nieuwe te zienonbekende AI-foto, gebaseerd op hersenactiviteit, de computer probeerde het gezicht op de foto te reconstrueren. Hoewel het verre van volledig vergelijkbaar was met het voltooide beeld, identificeerde en herschiep het kunstmatige neurale netwerk sommige kenmerken nauwkeurig, en weerspiegelde het ook de subjectieve perceptie van bepaalde kenmerken door een persoon, bijvoorbeeld huidskleur.
Experimentschema: training (boven) en reconstructie van een onbekend beeld (onder). Illustratie: Hongmi Lee, Brice A. Kuhl, Journal of Neuroscience
Kunnen herinneringen worden gemanipuleerd?
Een van de manieren om "falseherinneringen” bij muizen werd bijna tien jaar geleden aangetoond door onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology. De door wetenschappers voorgestelde aanpak is gebaseerd op het identificeren van engrammen die verband houden met bepaalde gebeurtenissen en deze activeren met behulp van optogenetica (neuronen controleren met behulp van licht).
Regeling van het experiment om false te creërenherinneringen. De wetenschappers lazen het patroon dat overeenkomt met omgeving A. Ze brachten de dieren naar omgeving B, zetten de stroom aan en activeerden parallel met behulp van licht de neuronen van het engram dat overeenkomt met omgeving A. Toen ze weer in context A werden geplaatst , toonden ze een valse herinnering aan angst voor A (bevriezing wordt aangegeven door golvende lijnen), waar ze nooit werden geëlektrocuteerd. Tegelijkertijd waren er geen gedragsveranderingen in neutrale omgeving C. Afbeelding: Steve Ramirez et al., Frontiers in Behavioral Neuroscience
Wetenschappers hebben genetisch gemodificeerde muizen aanom het gen dat codeert voor het eiwit canalrhodopsin (ChR2) in neuronen te introduceren. Het is een lichtgevoelig eiwit dat dient als fotoreceptor in eencellige groene algen. Het gen is aangepast om de expressie van een fluorescerend eiwit op gang te brengen wanneer het neuron wordt geactiveerd. Door deze aanpassing konden de wetenschappers bijhouden welke neuronen actief zijn (fluoresceren) tijdens het leerproces, en ze ook opnieuw activeren met behulp van licht.
Tijdens het experiment plaatsten wetenschapperslaboratoriummuizen naar de eerste “kamer” en lazen het engram (neuraal netwerk) dat correspondeerde met de herinneringen aan deze omgeving. Hierna werden de dieren naar de tweede omgeving verplaatst, werden de neuronen die bij de eerste ‘kamer’ hoorden geactiveerd en kregen ze een schok.
Nadere analyse toonde dat aan bij dierener werd een valse herinnering gevormd die verband hield met de angst voor het oorspronkelijke gebied (de eerste ‘kamer’). Hoewel de muizen daar nooit geschrokken waren, verstijfden ze van angst toen ze in deze omgeving werden geplaatst.
Normaal gedrag van een “getrainde” muis vóór lichtactivering en angst na activering van een engram geassocieerd met een angst uit het verleden. Video: Liu, X. et al., Nature
Hoewel dit werk alleen iseen primitief experiment, en het menselijk brein is veel complexer dan een muis, laat de studie zien hoe gemakkelijk herinneringen veranderen onder invloed van invloeden van buitenaf. Talrijke onderzoeken naar de vorming van valse herinneringen bij mensen in het dagelijks leven bevestigen deze plasticiteit.
Lees verder:
Het als nep beschouwde zwaard blijkt een 3000 jaar oud artefact uit de Bronstijd te zijn
Nieuwe passages uit het Dodenboek gevonden in Egypte
Een mysterieuze ondergrondse afdruk verraste wetenschappers. Hij is meer dan 1000 jaar oud