หน่วยความจำทำงานอย่างไร: เป็นไปได้ไหมที่จะเห็นและเปลี่ยนความทรงจำ

ความสามารถในการจดจำและเก็บความทรงจำได้ไม่กี่วันหรือตลอดชีวิตถือเป็นหน้าที่สำคัญ

สมองที่จำเป็นสำหรับทั้งคนและสัตว์การปรับตัวให้เข้ากับสิ่งแวดล้อมและความอยู่รอด การแพร่กระจายของความบกพร่องด้านความจำที่เกี่ยวข้องกับอายุเมื่อประชากรมีอายุมากขึ้น แสดงให้เห็นว่าคนที่ไม่ปรับตัวจะเป็นอย่างไรเมื่อพวกเขาสูญเสียความทรงจำส่วนใหญ่ไป

ทำความเข้าใจว่าสมองเก็บข้อมูลอย่างไรและควบคุมว่าความทรงจำใดจะคงอยู่ได้นานและความทรงจำใดจะหายไป จะช่วยพัฒนาวิธีการเสริมสร้างความจำในผู้ที่มีความเสี่ยงต่อการเกิดความผิดปกติเกี่ยวกับอายุ และฟื้นฟูการทำงานของสมองตามปกติหลังจากได้รับบาดเจ็บ

หน่วยความจำทำงานอย่างไร?

มีการสร้างและจัดเก็บหน่วยความจำประเภทต่างๆต่างกันและอยู่ในส่วนต่าง ๆ ของสมอง นักประสาทวิทยายังไม่เข้าใจความซับซ้อนของกระบวนการทั้งหมด พวกเขายังคงปรับปรุงรายละเอียดและค้นพบการทำงานของสมองใหม่ๆ อย่างไรก็ตาม เป็นที่ทราบกันดีว่าความทรงจำเกี่ยวกับอัตชีวประวัติ—ความทรงจำเกี่ยวกับเหตุการณ์ที่ประสบด้วยตนเอง—เริ่มเป็นรูปเป็นร่างขึ้นในส่วนหนึ่งของสมองที่เรียกว่า ฮิปโปแคมปัส ในชั่วโมงและวันหลังจากเหตุการณ์นั้น

เซลล์ประสาทเป็นเซลล์ของระบบประสาทที่สื่อสารระหว่างกันอื่นผ่านประสาท พื้นที่เหล่านี้เป็นพื้นที่ที่เซลล์สองเซลล์เชื่อมต่อและแลกเปลี่ยน "ข้อมูล" ผ่านช่องว่างเล็กๆ โดยใช้ข้อความทางเคมี (สารสื่อประสาท) เซลล์ประสาทแต่ละเซลล์สามารถเชื่อมต่อผ่านไซแนปส์กับเซลล์อื่นๆ นับพันเซลล์

ปฏิสัมพันธ์ของเซลล์ประสาทภายใต้กล้องจุลทรรศน์ วีดีโอ: ยูซี เบิร์กลีย์

คุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่งของเซลล์ประสาทคือไซแนปติกพลาสติก. นี่คือชื่อที่กำหนดให้กับความสามารถของซินแนปส์ในการเสริมสร้างหรือลดลงเมื่อเวลาผ่านไปเพื่อตอบสนองต่อกิจกรรมปฏิสัมพันธ์ที่เพิ่มขึ้นหรือลดลง เป็นที่เชื่อกันว่าการเปลี่ยนแปลงระยะยาวในประสิทธิภาพของไซแนปส์ ขึ้นอยู่กับความถี่ของ "การใช้งาน" มีความสำคัญต่อการเรียนรู้ การสร้างความจำ และการพัฒนาเซลล์ประสาท

เซลล์ประสาทมีการผลิตโปรตีนใหม่อย่างต่อเนื่องสำหรับการเปลี่ยนแปลงของส่วนต่างๆ ของไซแนปส์ เช่น ตัวรับของสารสื่อประสาทบางชนิด สิ่งนี้ทำให้เซลล์ประสาทสามารถเลือกเสริมสร้างการเชื่อมต่อซึ่งกันและกัน เป็นผลให้เกิดเครือข่ายที่เข้ารหัสหน่วยความจำ ยิ่งหน่วยความจำถูก "เปิดใช้งาน" บ่อยเท่าไหร่ เครือข่ายประสาทก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น โครงสร้างดังกล่าวไปไกลกว่าฮิบโปแคมปัสและสร้างความทรงจำระยะยาวในส่วนต่างๆ ของสมอง

คุณสามารถเห็นความทรงจำ?

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างสิ่งแรกขึ้นกล้องจุลทรรศน์มีพลังมากพอที่จะระบุเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ได้ ในช่วงกลางของศตวรรษหน้า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงโครงสร้างแบบซินแนปติกที่มีความกว้างเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตร และต่อมา นักวิจัยใช้กล้องจุลทรรศน์โฟตอนแบบสองโฟตอน สังเกตว่าการเชื่อมต่อแบบซินแนปติกเกิดขึ้นแบบเรียลไทม์ในระหว่างกระบวนการเรียนรู้อย่างไร

หนึ่งในแบบจำลองที่นักประสาทวิทยาใช้สำหรับการทำงานกับหน่วยความจำมันเป็นเอนแกรม นี่คือชื่อที่ตั้งให้กับร่องรอยทางกายภาพ (โครงข่ายประสาทเทียม) ของความทรงจำเฉพาะในสมอง เซลล์เอนแกรมคือกลุ่มของเซลล์ประสาทซึ่งการเปิดใช้งานใหม่นำไปสู่การเรียกค้นหน่วยความจำของแต่ละบุคคล

การวิจัยมากมายในด้านพันธุศาสตร์ทำให้เห็นภาพเอนแกรมดังกล่าวได้ ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ใช้ไวรัสฉีดโปรตีนเรืองแสงสีเขียวที่พบในแมงกะพรุนเข้าไปในสมองของหนู ทำให้เซลล์ประสาทเรืองแสงเมื่อเรียนรู้ และด้วยการแนะนำโปรตีนที่ไวต่อแสงของสาหร่าย canalrhodopsin (ChR2) จึงมีความเป็นไปได้ที่จะกระตุ้นเซลล์ประสาทบางตัว "ปิด" หรือ "เริ่ม" เอนแกรมบางตัว

ตัวอย่างเช่น นักวิจัยจาก MIT ระบุเอนแกรมที่เกิดขึ้นในสมองของหนูในระหว่างกระบวนการเรียนรู้ความกลัว การกระตุ้นเครือข่ายเซลล์ประสาทนี้โดยไม่ได้ตั้งใจโดยใช้แสงสีฟ้าทำให้สัตว์ "หยุดนิ่ง" ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่มีลักษณะเฉพาะต่ออันตราย

อีกวิธีหนึ่งในการแสดงภาพความทรงจำก็คือการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กเชิงฟังก์ชัน (fMRI) เทคโนโลยีนี้มีพื้นฐานอยู่บนการเชื่อมโยงของกิจกรรมของเซลล์ประสาทกับการเปลี่ยนแปลงของการไหลเวียนของเลือดในสมอง จากการสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงของระบบไหลเวียนโลหิต (การเคลื่อนไหวของเลือด) เปลี่ยนแปลงไปอย่างไร นักวิจัยจะพิจารณาว่าส่วนใดของสมองที่มีการเคลื่อนไหวในคราวเดียวหรืออย่างอื่น

ด้วยเทคโนโลยีนี้ เช่นนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโอเรกอนฝึก AI ให้จดจำและสร้างภาพใบหน้าที่ปรากฏขึ้นในความทรงจำของมนุษย์ขึ้นมาใหม่ ในระหว่างกระบวนการฝึกอบรม ผู้เข้าร่วมจะได้ชมภาพถ่ายใบหน้าของบุคคลต่างๆ และคอมพิวเตอร์ก็ประมวลผลข้อมูล fMRI และสร้างรูปแบบการทำงานของสมองที่เป็นลักษณะเฉพาะของภาพถ่ายแต่ละภาพ

หลังจากนั้นเมื่อผู้เข้าร่วมแสดงใหม่ภาพถ่าย AI ที่ไม่รู้จักซึ่งอิงจากการทำงานของสมอง คอมพิวเตอร์พยายามสร้างใบหน้าในภาพขึ้นมาใหม่ แม้ว่าจะยังห่างไกลจากความคล้ายคลึงอย่างสมบูรณ์กับภาพที่เสร็จแล้ว แต่เครือข่ายประสาทเทียมระบุและสร้างคุณลักษณะบางอย่างขึ้นใหม่ได้อย่างแม่นยำ และยังสะท้อนการรับรู้เชิงอัตนัยของคุณลักษณะบางอย่างของบุคคล เช่น สีผิว

รูปแบบการทดลอง: การฝึกอบรม (ด้านบน) และการสร้างภาพที่ไม่รู้จักขึ้นใหม่ (ด้านล่าง) ภาพประกอบ: Hongmi Lee, Brice A. Kuhl, Journal of Neuroscience

ความทรงจำสามารถแก้ไขได้หรือไม่?

หนึ่งในวิธีสร้าง "เท็จ"ความทรงจำ” ในหนูได้แสดงให้เห็นเมื่อเกือบทศวรรษที่แล้วโดยนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ วิธีการที่นักวิทยาศาสตร์เสนอนั้นขึ้นอยู่กับการระบุเอนแกรมที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์บางอย่างและเปิดใช้งานโดยใช้ออปโตเจเนติกส์ (การควบคุมเซลล์ประสาทด้วยความช่วยเหลือของแสง)

แผนการทดลองสร้างข้อเท็จความทรงจำ นักวิทยาศาสตร์อ่านรูปแบบที่สอดคล้องกับสภาพแวดล้อม A พวกเขาย้ายสัตว์ไปยังสภาพแวดล้อม B เปิดกระแสไฟ และควบคู่ไปกับความช่วยเหลือของแสงกระตุ้นเซลล์ประสาทของเอ็นแกรมที่สอดคล้องกับสภาพแวดล้อม A เมื่อวางพวกมันอีกครั้งในบริบท A พวกเขาแสดงความทรงจำที่ผิดพลาดเกี่ยวกับความกลัวต่อ A (การแช่แข็งถูกระบุด้วยเส้นหยัก ) โดยที่พวกเขาไม่เคยถูกไฟฟ้าดูด ในขณะเดียวกันไม่มีการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมในสภาพแวดล้อมที่เป็นกลาง C ภาพ: Steve Ramirez et al., Frontiers in Behavioral Neuroscience

นักวิทยาศาสตร์ได้ดัดแปลงพันธุกรรมของหนูให้เป็นเพื่อแนะนำยีนที่เข้ารหัสโปรตีนคาแนลโรโดปซิน (ChR2) เข้าสู่เซลล์ประสาท เป็นโปรตีนที่ไวต่อแสงซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับแสงในสาหร่ายสีเขียวเซลล์เดียว ยีนได้รับการดัดแปลงเพื่อกระตุ้นการแสดงออกของโปรตีนเรืองแสงเมื่อเซลล์ประสาทถูกกระตุ้น การปรับเปลี่ยนนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถติดตามว่าเซลล์ประสาทใดมีการเคลื่อนไหว (เรืองแสง) ในระหว่างกระบวนการเรียนรู้ รวมทั้งเปิดใช้งานเซลล์เหล่านี้ใหม่โดยใช้แสง

ในระหว่างการทดลองนักวิทยาศาสตร์ได้วางหนูทดลองเข้าไปใน “ห้อง” แรกและอ่านเอ็นแกรม (โครงข่ายประสาทเทียม) ที่สอดคล้องกับความทรงจำของสภาพแวดล้อมนี้ หลังจากนั้น สัตว์ต่างๆ จะถูกย้ายไปยังสภาพแวดล้อมที่สอง เซลล์ประสาทที่เกี่ยวข้องกับ "ห้อง" แรกถูกเปิดใช้งาน และพวกเขาก็ตกใจ

การวิเคราะห์เพิ่มเติมพบว่าในสัตว์ความทรงจำเท็จเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้องกับความกลัวพื้นที่เดิม ("ห้องแรก") แม้ว่าหนูจะไม่เคยตกตะลึงที่นั่น แต่เมื่อถูกวางไว้ในสภาพแวดล้อมนี้ พวกมันก็ตัวแข็งทื่อด้วยความกลัว

พฤติกรรมปกติของเมาส์ที่ "ฝึก" ก่อนเปิดใช้งานแสง และความกลัวหลังจากเปิดใช้งานเอนแกรมที่เกี่ยวข้องกับความกลัวในอดีต วีดิทัศน์: Liu, X. et al., ธรรมชาติ

แม้ว่างานนี้เป็นเพียงการทดลองดึกดำบรรพ์และสมองของมนุษย์นั้นซับซ้อนกว่าเมาส์มาก การศึกษาแสดงให้เห็นว่าความทรงจำเปลี่ยนแปลงได้ง่ายเพียงใดภายใต้อิทธิพลของอิทธิพลภายนอก การศึกษาจำนวนมากเกี่ยวกับการก่อตัวของความทรงจำเท็จในผู้คนในชีวิตประจำวันยืนยันถึงความเป็นพลาสติกนี้

อ่านเพิ่มเติม:

ดาบที่คิดว่าเป็นของปลอมกลายเป็นสิ่งประดิษฐ์จากยุคสำริดอายุ 3,000 ปี

ข้อความใหม่จากหนังสือแห่งความตายที่พบในอียิปต์

รอยประทับลึกลับใต้ดินทำให้นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจ เขามีอายุมากกว่า 1,000 ปี