Μνήμη: Νέα μελέτη φωτίζει τον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες διαμορφώνουν μνήμες μακράς διάρκειας

Ήταν τέλη του καλοκαιριού του 1953 όταν ένας νέος άνδρας, που θα αναφέρεται πλέον ως ασθενής H.M. [Henry Molaison], υποβλήθηκε σε μια πειραματική χειρουργική επέμβαση. Σε μια προσπάθεια να θεραπεύσει τις εξουθενωτικές κρίσεις επιληψίας, ένας χειρουργός αφαίρεσε τμήμα του εγκεφάλου του [1], που περιλάμβανε μέρος μια δομής που αποκαλείται ιππόκαμπος. Οι κρίσεις σταμάτησαν. Δυστυχώς όμως, για τον ασθενή H.M. σταμάτησε επίσης και ο χρόνος.

Όταν ξύπνησε μετά την εγχείρηση, δεν μπορούσε πια να θυμηθεί σχεδόν τίποτα μετά την επέμβαση. Μπορούσε να θυμηθεί γεγονότα ή προσωπικές στιγμές που συνέβησαν πριν την επέμβαση, όμως, έχασε την ικανότητα να δημιουργεί αναμνήσεις και καταδικάστηκε να ζει στο παρόν, σε ένα παρόν που κάθε φορά διαρκούσε περίπου τριάντα δευτερόλεπτα. Αυτό τον κατέστησε ένα ενδιαφέρον πρόσωπο για έρευνα από τους επιστήμονες και για πέντε δεκαετίες ήταν ο πιο σημαντικός ασθενής στην ιστορία των νευροεπιστημών. Συμμετείχε σε εκατοντάδες μελέτες απαντώντας σε ερωτηματολόγια και κάνοντας επιστημονικά τεστ. Η προσωπική του τραγωδία επρόκειτο να συμβάλλει αποφασιστικά στην κατανόηση του μηχανισμού λειτουργίας της μνήμης και της μάθησης. Ο ασθενής H.M. αναφέρεται από ερευνητές ως ήταν ένας ευγενής άνθρωπος με αναπτυγμένη την αίσθηση του χιούμορ και υψηλότερο IQ από το μέσο όρο. Η αμνησία δεν κατέστρεψε τη νοημοσύνη του ή δεν άλλαξε ριζοσπαστικά την προσωπικότητά του, ωστόσο του αφαίρεσε ένα κομμάτι της ταυτότητάς του.

Με τις έρευνες οι νευροεπιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα πως υπάρχουν δυο συστήματα μνήμης: Η βραχεία μνήμη που διαρκεί περίπου είκοσι δεύτερα, την οποία ο H.M. εξακολουθούσε να έχει, και η μακρά μνήμη που διατηρεί τα γεγονότα ή τις πληροφορίες για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα η οποία είχε υποστεί τη μεγαλύτερη βλάβη, καθώς συνδέεται με τον ιππόκαμπο του εγκεφάλου, το τμήμα δηλαδή που είχε αφαιρεθεί από τον εγκέφαλό του. Μάλιστα, ενώ παρατήρησαν πως ο H.M. δεν μπορούσε να σχηματίσει νέες μνήμες μετά την επέμβαση, συνειδητοποίησαν και επιβεβαίωσαν με πειράματα πως μπορούσε να αποκτήσει μέσω της επανάληψης νέες δεξιότητες. Έτσι οδηγήθηκαν στο συμπέρασμα πως η μακρά μνήμη έχει δυο μορφές. Η πρώτη μορφή, η επεξηγηματική μνήμη, καταγράφει τις εντυπωσιακές λεπτομέρειες της ζωής του ανθρώπου και ελέγχεται από τον ιππόκαμπο. Η δεύτερη μορφή αφορά τις διαδικασίες της μνήμης και ελέγχεται από την παρεγκεφαλίδα και τα βασικά γάγγλια. Αυτή σχετίζεται με τον τρόπο που μαθαίνουμε να παίζουμε τένις ή ένα μουσικό όργανο ή ακόμα να κάνουμε ποδήλατο.

Οι επιστήμονες είχαν ανακαλύψει που διαμορφώνονται οι μνήμες, όμως το πώς διαμορφώνονταν παρέμενε, μέχρι τώρα, άγνωστο. Τώρα, νευροεπιστήμονες στο Harvard Medical School (HMS) κάναν ένα αποφασιστικό βήμα στην αναζήτηση της κατανόησης της βιολογίας της μακροχρόνιας μνήμης και βρήκαν τρόπους να παρεμβαίνουν όταν συμβαίνει απώλεια μνήμης με την ηλικία ή από ασθένεια.

Η ομάδα των νευροεπιστημόνων, στο περιοδικό Nature της 9ης Δεκεμβρίου 2020, περιέγραψαν ένα (νέο-προσδιορισμένο) μηχανισμό που χρησιμοποιούν οι νευρώνες στον ιππόκαμπο ενός ενήλικα ποντικού για να ρυθμίσουν τα σήματα που λαμβάνουν από άλλους νευρώνες, σε μια διαδικασία που φαίνεται κρίσιμη για την εδραίωση της μνήμης και την ανάκληση. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι νέες εμπειρίες ενεργοποιούν αραιούς πληθυσμούς νευρώνων στον ιππόκαμπο όπου εκφράζονται δυο γονίδια, τα Fos και Scg2. Αυτά τα δυο γονίδια επιτρέπουν τους νευρώνες να προσαρμόζουν τα εισιόντα από τους αποκαλούμενους ανασταλτικούς διανευρώνες, κύτταρα τα οποία μειώνουν τη νευρωνική διέγερση. Με αυτό τον τρόπο, μικρές ομάδες διαφορετικών νευρώνων μπορεί να διαμορφώσουν παραμένοντα δίκτυα με προσανατολισμένη δράση ως απάντηση σε μια εμπειρία.

Για να διαμορφώσει μνήμες, ο εγκέφαλος πρέπει κατά κάποιο τρόπο να «καλωδιώνει» μια εμπειρία σε νευρώνες έτσι ώστε όταν οι νευρώνες αυτοί επαναδραστηριοποιούνται, η αρχική εμπειρία να ανακαλείται. Επειδή, όπως περιεγράφηκε το 1986, το γονίδιο Fos εκφράζεται μέσα σε λίγα λεπτά μετά την ενεργοποίηση ενός νευρώνα, οι επιστήμονες είδαν την ιδιότητα αυτή ως πλεονέκτημα και έτσι χρησιμοποίησαν το Fos ως δείκτη πρόσφατης νευρωνικής δραστηριότητας, για την αναγνώριση κυττάρων του εγκεφάλου που ρυθμίζουν τη δίψα, το λήθαργο και πολλές άλλες συμπεριφορές. Οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι το Fos μπορεί να παίζει κρίσιμο ρόλο στη μάθηση και στην μνήμη, όμως για δεκαετίες, η ακριβής λειτουργία του γονιδίου παρέμενε μυστήριο.

Για να διερευνήσουν το μυστήριο, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν πειράματα σε ποντίκια εκθέτοντάς τα σε νέα περιβάλλοντα. Αυτό που βρήκαν είναι ότι σε σχετικά αραιούς πληθυσμούς νευρώνων, μετά την έκθεση σε νέες εμπειρίες εκφράζεται το Fos [2]. Από την έρευνα αποκαλύφθηκε ότι το γονίδιο παίζει σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση μνήμης. Οι ερευνητές ερεύνησαν περαιτέρω την λειτουργία του Fos, για να αναγνωρίσουν γονίδια ενεργοποιήθηκαν από αυτό και ανακάλυψαν ότι ιδιαίτερα ένα γονίδιο, το Scg2, έπαιζε βασικό ρόλο στη ρύθμιση ανασταλτικών σημάτων.

Ακολουθώντας τη μέθοδο της πειραματικής «σίγασης» του Scg2, στα πειραματόζωα και συγκρίνοντας με τα υποκείμενα στα οποία το γονίδιο αυτό είναι ενεργό, οι ερευνητές βρήκαν ότι οι νευρώνες όπου το Fos ήταν ενεργοποιημένο εμφάνιζαν πρόβλημα στην λήψη σημάτων και από τους δυο τύπους των διανευρώνων, καθώς επίσης ανιχνεύθηκε πρόβλημα στα κύματα θήτα και γάμμα, ιδιότητες του εγκεφάλου που θεωρούνται ότι είναι βασικά χαρακτηριστικά της μάθησης και της μνήμης. Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι οι νευρώνες εμφανίζονται να χρησιμοποιούν νευροπεπτίδια, που συνδέονται με την δράση του γονιδίου Scg2, για να προσαρμόσουν με ακρίβεια τα εισιόντα που λαμβάνουν από τους διανευρώνες.

Τα πειράματα της ομάδας, δείχνουν ότι μετά από μια νέα εμπειρία, μια μικρή ομάδα νευρώνων εκδηλώνουν ταυτόχρονα το Fos, ενεργοποιώντας Scg2 και τα παραγόμενα νευροπεπτίδιά του, για να εγκαταστήσουν ένα οργανωμένο δίκτυο με τη δραστηριότητά του να ρυθμίζεται από τους διανευρώνες. Τα ευρήματα της μελέτης αντιπροσωπεύουν ένα πιθανό μοριακό και επιπέδου κυκλώματος μηχανισμό για τη μακροχρόνια μνήμη. Ρίχνουν νέο φως στη θεμέλια βιολογία της διαμόρφωσης μνήμης και έχουν ευρείες επιπτώσεις για τις ασθένειες της δυσλειτουργίας της μνήμης. Ωστόσο, όπως δηλώνουν οι ερευνητές, υπάρχουν ακόμη πολλά αναπάντητα ερωτήματα που σχετίζονται με τον νεο-ανακαλυφθέντα μηχανισμό, οπότε η διερεύνηση συνεχίζεται.

Πηγή: The Harvard Gazette

Περισσότερα στη δημοσίευση: Bidirectional perisomatic inhibitory plasticity of a Fos neuronal network. Nature.

Σημειώσεις:
[1] Το τμήμα του εγκεφάλου που του αφαιρέθηκε προξένησε μόνιμη βλάβη στον ιππόκαμπο, την αμυγδαλή και τον ενδορινικό φλοιό.
[2] Όταν λέμε ότι ένα «γονίδιο εκφράζεται» αυτό σημαίνει πως πρόκειται για ενεργό γονίδιο.