Časopis

Seznamte se se dvěma vědci, kteří do myši implantovali falešnou paměť | Inovace

Byl den před Vánocemi a v normálně rušné laboratoři MIT na Vassar Street v Cambridge bylo ticho. Ale tvorové rozhodně míchali, včetně myši, která by brzy byla světově proslulá.

Související čtení

Náhled miniatury videa

Moonwalking With Einstein: The Art and Science of Remembering Everything

Koupit

Steve Ramirez, tehdy 24letý doktorand, umístil myš do malé kovové krabičky s černou plastovou podlahou. Místo toho, aby zvíře zvědavě čichalo, okamžitě ztuhlo hrůzou a vybavilo si zážitek z otřesu nohou ve stejné krabici. Jednalo se o učebnicovou odezvu na strach, a pokud vůbec, držení myši bylo přísnější, než Ramirez očekával. Jeho vzpomínka na trauma musela být docela živá.





Což bylo úžasné, protože paměť byla falešná: Myš v té krabici nikdy nedostala elektrický šok. Spíše to reagovalo na falešnou paměť, kterou si Ramirez a jeho kolega z MIT Xu Liu zasadili do mozku.

Merry Freaking Christmas, přečtěte si předmět e-mailu, který Ramirez zastřelil Liu, která trávila dovolenou v roce 2012 v Yosemitském národním parku.



Pozorování vyvrcholilo více než dvěma roky dlouhodobého výzkumného úsilí a podpořilo mimořádnou hypotézu: Nejen, že bylo možné identifikovat mozkové buňky zapojené do kódování jedné paměti, ale tyto konkrétní buňky bylo možné manipulovat a vytvořit zcela nový vzpomínka na událost, která se nikdy nestala.

Je to fantastický výkon, říká Howard Eichenbaum, přední výzkumník paměti a ředitel Centra pro neurovědy na Bostonské univerzitě, kde Ramirez vykonával vysokoškolskou práci. Jedná se o skutečný průlom, který ukazuje sílu těchto technik při řešení základních otázek o fungování mozku.

Při průlomu neurovědy implantovalo duo falešnou paměť myši



Vyhlídka na přesné vrtání s pamětí vadila vědcům po celá léta. Mnoho lidí přemýšlelo v tomto duchu, říká Sheena Josselyn, starší neurologka z Nemocnice pro nemocné děti v Torontu, která studuje buněčné základy paměti, ale nikdy se jim nesnilo, že tyto experimenty skutečně budou fungovat. Nikdo si nikdy nemyslel, že bys to mohl skutečně udělat.

Kromě Ramireze a Liu. Jejich práce zahájila novou éru výzkumu paměti a mohla by někdy vést k nové léčbě lékařských a psychiatrických problémů, jako je deprese, posttraumatická stresová porucha a Alzheimerova choroba. Nebe je teď opravdu limit, říká Josselyn.

Ačkoli dosud byla práce provedena na laboratorních myších, objevy dua otevírají hlubší myšlenkovou linii do lidské přirozenosti. Pokud lze vzpomínky libovolně manipulovat, co to znamená mít minulost? Pokud dokážeme vymazat špatnou paměť nebo vytvořit dobrou, jak si vytvoříme skutečný pocit sebe sama? Paměť je identita, píše britský autor Julian Barnes ve své monografii Nic se nebojí. Jste to, co jste udělali; to, co jste udělali, je ve vaší paměti; to, co si pamatujete, definuje, kdo jste.

***

věřil Robert e Lee v otroctví

Vědci se ptají: Můžeme zasáhnout v depresivním stavu reaktivací pozitivních vzpomínek?(Irvin Serrano)

Asi 5 procent z milionu buněk zubatého gyrusu je aktivních, když myš zakóduje paměť místa. Zde jsou aktivní buňky růžové a oranžové.(Xu Liu a Steve Ramirez)

V tomto pohledu na mozek mozku se buňky, které mohou Steve Ramirez a Xu Liu ovládat světlem, zdají červené. Ostatní aktivní buňky jsou zelené.(Steve Ramirez a Xu Liu)

Buňky aktivní během jedné paměti se často liší svou genovou aktivitou, červená od zelené. Pochopení rozdílů může zvýšit účinnost manipulace s pamětí.(Steve Ramirez a Xu Liu)

Na tomto obrázku jsou buňky v mozku myši označeny podle jejich věku. Buňky mladší než tři týdny, červené, jsou sotva aktivní během formování paměti.(Steve Ramirez a Xu Liu)

Vždy mě udivovala úroveň kontroly, kterou může mít věda po celém světě, říká Ramirez, který jako dítě sbíral kameny a pamatuje si, že byl ohromen, že ve skutečnosti existují způsoby, jak zjistit, jak staré kameny byly. Ten příklad je teď už trochu banální, říká, ale jako druh někoho postavíme na Měsíc. A z velké části jsme zjistili, jak vymýtit neštovice, věci, které nevidíte a jejichž existenci musíte odvodit z nepřímých měření, dokud se vaše mikroskopy nedostanou dostatečně dobře.

To, co Ramirez, nyní 26 let, a Liu, 36 let, byli schopni vidět a ovládat, jsou blikající shluky neuronů, známé jako engramy, kde jsou uloženy jednotlivé vzpomínky. Na konci roku 2010, několik měsíců poté, co Ramirez zahájil svou postgraduální práci na MIT, spojili své síly propracovanou novou metodu zkoumání živých mozků v akci, systém, který kombinuje klasickou molekulární biologii a vznikající pole optogenetiky, ve kterém lasery jsou používány ke stimulaci buněk geneticky upravených tak, aby byly citlivé na světlo.

Vyzbrojeni nejmodernějšími nástroji a podpořeni nositelem Nobelovy ceny za práci v imunologii Susumu Tonegawa z MIT, se Ramirez a Liu pustili do pátrání, jehož výsledkem byly dvě mezníkové studie publikované 16 měsíců kromě toho záblesky záblesku zády k sobě, které posílily naše chápání paměti na buněčné úrovni. Ramirez popisuje objevy, stejně jako téměř všechno, s nadšením: První papír byl jako chytání blesku do láhve a druhý papír byl jako blesk, který dvakrát zasáhl stejné místo.

Infografika1.jpg Infographic2.jpg Infographic3.jpg

Inception: How Ramirez and Lieu created a false memory in a lab mouse.(5W infografika)

V první studii publikované v Příroda v březnu 2012 Ramirez a Liu identifikovali, označili a poté znovu aktivovali malý shluk buněk kódujících paměť strachu myši, v tomto případě paměť prostředí, kde myš dostala šok nohou. Tento čin poskytuje silné důkazy pro dlouhodobou teorii, že paměti jsou zakódovány do engramů. Většina předchozích pokusů zahrnovala sledování chemické nebo elektrické aktivity mozkových buněk během formování paměti. Ramirez a Liu tyto metody odmítli jako příliš nepřesné. Místo toho sestavili přizpůsobenou sadu technik, díky nimž byly mozkové buňky myší v jejich cílové oblasti (část hipokampu zvané zubatý gyrus) citlivé na světlo.

Ve spolupráci se specializovaným plemenem geneticky upravených laboratorních myší tým injektoval dentální gyrus biochemickým koktejlem, který zahrnoval gen pro světlocitlivý protein, channelrhodopsin-2. Aktivní gyrusové buňky - ty, které se podílejí na tvorbě paměti - by produkovaly protein, a samy by se tak staly citlivými na světlo. Myšlenka byla, že poté, co byla paměť zakódována, mohla být znovu aktivována přepnutím těchto buněk laserem.

K tomu Ramirez a Liu chirurgicky implantovali tenká vlákna z laseru přes lebky myší a do zubatého gyrusu. Reaktivace paměti - a s ní spojená reakce na strach - byl jediný způsob, jak dokázat, že skutečně identifikovali a označili engram. Vědci obětovali zvířata po experimentu a zkoumali mozkové tkáně pod mikroskopem, aby potvrdili existenci engramů; buňky zapojené do specifické paměti po ošetření chemickými látkami, které reagovaly s channelrhodopsinem-2, svítily zeleně.

Když se Ramirez a Liu dívali na ošetřené neurony mikroskopem, bylo to jako hvězdná noc, říká Liu, kde můžete vidět jednotlivé hvězdy. Ačkoli tyto aktivní buňky byly jen jednou částí široce distribuovaného encyklopedického šoku, jejich reaktivace stačila k vyvolání reakce strachu.

Dalším krokem byla manipulace s konkrétním engramem za účelem vytvoření falešné paměti, což je elegantní experiment podrobně popsaný ve druhém článku Ramireze a Liu, publikovaném ve Vědě v červenci 2013. Připravili myš a vstříkli biochemický koktejl do zubatého gyrusu. Poté myš umístili do krabice, aniž by ji šokovali. Když zvíře strávilo 12 minut zkoumáním, vzpomínka na tento benigní zážitek byla zakódována jako engram. Následující den byla myš umístěna do jiné schránky, kde byla její paměť na první (bezpečnou) schránku spuštěna vystřelením laseru do zubatého gyrusu. V tu přesnou chvíli dostala myš šok nohou. Třetího dne byla myš vrácena do trezoru - a okamžitě ztuhla strachem. Nikdy tam nebyl šok nohou, ale jeho falešná paměť, kterou vytvořili vědci v jiné krabici, způsobila, že se chovala, jako by se chovala.

Neexistovala žádná šance, že si myš mohla splést jednu krabičku s druhou: byly různých tvarů a barev a měly různé vůně. Ramirez a Liu také použili několik kontrolních skupin - vyloučili například možnost, že záblesk samotného laseru a nikoli aktivace engramu způsobily reakci na strach další den. Skutečně si vytvořili paměť.

***

Toto oznámení vyvolalo šílenství zpravodajských médií. Vědci sledují vzpomínky na věci, které se nikdy nestaly, přečtěte si nadpis v New York Times . Ramirez a Liu se probudili uprostřed noci a dělali živé rozhovory v evropském rádiu. Liuovi rodiče v Číně si o jeho úspěších přečetli online. Příběh pomohla veřejná fascinace rolí falešné paměti v trestních řízeních (vysoký, tmavovlasý bankovní lupič, kterého očitý svědek viděl, byl ve skutečnosti krátký a plešatý). Není pochyb o tom, že podtexty sci-fi to učinily obzvláště fascinujícím. Mnohým se zdálo, že potvrzují známé (a děsivé) nápady z filmů jako Počátek a Věčný svit neposkvrněné mysli . Nic není tak, jak se zdá; realita je jen sen; komu budeš věřit, mně nebo svým lživým očím?

Pro neurovědy byl objev Ramireze a Liu naprosto odvážný. Pro mě byla úspěšná právě jejich nebojácnost, říká Josselyn. Dokázali jste si představit všechny věci, které by se mohly pokazit, ale tito muži tam vstoupili, dostali nejlepší nástroje, použili nejlepší druh mysli. Eichenbaum souhlasí s tím, že mladí vědci šli na končetinu a ve své kariéře podstoupili velké riziko. Mohli strávit tři roky a skončit s tím, že by se za to nemohli ukázat, říká.

Strávte trochu času kolem Ramireze a Liu a rychle ucítíte jejich pozitivní přístup. Pocházejí z různých světů - Liu se narodil a vyrůstal v Šanghaji, syn otce chemického inženýra a matky, která pracovala pro železnici, a Ramirezovi rodiče uprchli před občanskou válkou v Salvadoru v 80. letech a usadili se v Everett v Massachusetts - ale jejich dobře uzavřené osobnosti nejsou náhodou. Na podzim roku 2010, když Liu pohovořil s potenciálními partnery, aby s ním prozkoumali tajemství paměti, se nejprve soustředil na vědecké znalosti. Ale jak čas plynul, dal na svůj seznam přání jiný atribut - štěstí. Pokud se chystáte spolupracovat s lidmi, chcete spolupracovat se šťastnými lidmi, říká Liu. A Steve je jedním z nejšťastnějších kluků, jaké jsem kdy viděl. Je také mluvčím rychlosti, který vtlačuje do každého dechu spoustu slov. Nemůže přestat mluvit, vtipkuje Liu. Jinak zemře.

***

Když byl Ramirez mladý, často chodil do harvardské laboratoře pro pohyb zvířat se svým otcem, který tam začal čistit klece a zametat podlahy a později se stal vedoucím zvířecím technikem. Během návštěv laboratoře Ramirez viděl lamy, pštrosy a další tvory a lidi, jak dělají skvělé věci se zvířaty, provádějí měření a podobně. Zjistil, že nechtěně vstřebal něco, co ho pomohlo posunout k vědě.

Dohodu však uzavřel mozek. Ať už to byl sonet, nebo získání někoho na Měsíc nebo zjišťování biologických molekul života, to vše bylo výsledkem mozků, nervové aktivity, říká Ramirez a popisuje, jak jeho široké zájmy - v Shakespearovi, strojírenství, biologii a více - nakonec ho přivedl k neurovědě. Proč nezkoumat to, co všechno produkovalo?

Liu také prokázal vědeckou snahu na počátku života. A i když rozhodně není prvním vědcem, který strávil dětství sbíráním brouků, Liuovo odhodlání bylo výrazné. Vychovával rodiny stonožek, měl spoustu lesklých brouků a kobylky choval v malých klecích. Obvykle krmil kobylky edamame, ale zjistil, že feferonky způsobují zajímavou reakci. Podle něj by zpívali ještě víc. Po studiu biologie na Fudanské univerzitě v Šanghaji získal Liu doktorát na Baylor College of Medicine, kde studoval paměť ovocné mušky.

jak poznám, jestli můj přítel podvádí online

Jako teenager se věnoval sci-fi a napsal román s názvem Výzva . Jednalo se o budoucnost, ve které sportovci již nesoutěžovali přímo proti sobě, ale spíše se podrobovali různým objektivním měřením výkonu nebo fyziologie: rychlost, síla, kapacita plic atd. Hrdina se chce vrátit ke skutečné konkurenci a obnovit neměřitelné faktory štěstí a náhody.

Jednoho loňského jara, když Liu vypisoval mnoho věcí, které se mohly při jeho práci s Ramirezem pokazit - mohl je porazit k objevu konkurenční tým, mohli vybrat špatnou část mozku na nulu dále - řekl, že je přesvědčen, že štěstí v jejich úspěchu hrálo roli. Pokud ano, řekl jsem, pak jeho práce jako dospělého přinesla téma jeho dětského románu. To je úžasné, řekl po dlouhém tichu. Nikdy jsem neudělal takové spojení mezi knihou a touto prací, ale myslím, že máte pravdu.

Více než dvě desítky laboratoří po celém světě mají projekty, které vycházejí z výzkumu Ramireze a Liu. Například Eichenbaum má zájem o reprodukci většího zážitku, paměti, která se objevuje v průběhu času, jako je navigace v bludišti.

V době, kdy chybí léčba mnoha závažných duševních chorob, jsou lákavé potenciální klinické aplikace modifikace paměti. To je trochu šílené, říká Josselyn, jehož práce se zaměřuje na Alzheimerovu chorobu a další poruchy související s pamětí, ale možná někdo s Alzheimerovou chorobou ... možná můžeme přijít na léčbu, která by prostě šla dovnitř a dělala to, co tito muži udělali ve svých dokumentech , a tak nějak aktivovat tyto buňky uměle, zesílit aktivaci a zajistit lepší vzpomínky.

V jiné teoretické aplikaci lze PTSD usnadnit opakovanou aktivací špatné paměti, aby se ukázalo, že paměť sama o sobě není škodlivá, nebo vymazáním traumatických složek konkrétní špatné paměti nebo jejím nahrazením pozitivní. Na základě práce Ramireze a Liu ostatní v laboratoři Tonegawa udělali přesně to u samců myší na začátku tohoto roku a převedli negativní vzpomínku na šok nohou do pozitivní vzpomínky na setkání s myší samicí.

Ramirez, který dokončuje doktorát na MIT, a Liu, který míří na Northwestern University založit vlastní laboratoř, si nedávno vzali další velkou paměťovou otázku: Můžeme zasáhnout zvíře v depresivním stavu reaktivací pozitivních vzpomínek? Zdá se, že odpověď zní ano. Studují myší modely anhedonie nebo ztráta zájmu o potěšení, příznak deprese. Experimentální myši vystavené stresu, dokud již nehledají potěšení (například doušek cukrové vody), obnoví svůj zájem, když se znovu aktivují engramy pro příjemné zážitky. Dosavadní úspěšnost je 80 procent.

Protože existuje důkaz principu, že můžeme uměle reaktivovat vzpomínky a vytvářet falešné vzpomínky na zvířatech, říká Ramirez, jediným skokem mezi nimi a lidmi je pouze technologická inovace.

A co etické obavy z manipulace s pamětí? Patricia Churchland, profesorka na UC San Diego a autorka Touching a Nerve: The Self as Brain , říká, že terapie tohoto druhu nebude tak zásadní změnou, jak se zdá. Lidské vzpomínky, od počátku nepřesné a labilní, jsou již dlouho terčem intervence, od kognitivně-behaviorální terapie přes elektrošok až po léky. Léčba stavů, jako je deprese, na úrovni engramu je kontinuální s tím, co již děláme, říká Churchland, přední filozof neurověd.

Ramirez věří, že operace paměti je nevyhnutelná, i když je třeba řešit mnoho otázek. Jak je to možné udělat bezpečně? Neinvazivně? Eticky? Jak by byli vybíráni pacienti? Jakkoli je to obvykle bolestivé, většina z nás si také uvědomuje, že je to přirozená, dokonce zdravá součást života. Chlapec na střední škole, který se právě rozešel se svou přítelkyní, nemusí být dobrým kandidátem na operaci paměti. Ale lidé s demencí nebo těžkou depresí - bylo by nelidské neusnadnit jejich utrpení, pokud by byl možný efektivní a bezpečný zásah do paměti?

Přepadnutí Ramireze a Liu do mechaniky paměti otevírá široký nový svět možností, které jsou hluboké, děsivé, úžasné - a naléhavé. Musíme včera zahájit rozhovor o tom, co budeme dělat, když se to stane, říká Ramirez, abychom byli připraveni a věděli, jak to zvládnout.





^