Az Agy "Esemény" Sejtjei Segítenek A Memória értelmes Szegmensekbe Rendezésében

A hippokampusz idegsejtjei elvont, diszkrét eseményekbe sorolják a megtapasztaltakat, például sétálnak vagy ebédelnek.

Az eseményekre való visszaemlékezésünk általában nem olyan, mint egy biztonsági kamera digitális videójának visszajátszása - egy passzív megfigyelés, amely hűen rekonstruálja mindennek a térbeli és érzékszervi részleteit. Gyakrabban az emlékezet diszkrét, összekapcsolt események sorozatává szegmentálja a tapasztalatokat. Emlékezhet például arra, hogy a múlt héten adott időpontban ebéd előtt sétálni ment, anélkül, hogy felidézte volna a járdára szórt üdítős üveget, az udvarán tölgyfában ácsorgó varjú vagy a visszatéréskor elfogyasztott csirkesaláta szendvicset.. Az elméd kijelöl egy mentálkosarat a „sétához”, és egy ezt követő edényt az „ebédhez”, amelyhez hozzáférés után ezek közül a finomabb részek közül sok elérhetővé válik. Ez az elrendezés felveti a kérdést, hogy az agy hogyan végzi az ilyen kategorizálást.

Susumu Tonegawa, a Massachusettsi Műszaki Intézet idegtudósának és munkatársainak új tanulmánya azt állítja, hogy felfedezték azt az idegfeldolgozást, amely lehetővé teszi az emlékezet ezen diszkrét egységekké szerveződését. A munka kihatással van annak megértésére, hogy az emberek hogyan általánosítják az ismereteket, és elősegítheti a gyorsabban tanuló mesterséges intelligencia-rendszerek fejlesztésére irányuló erőfeszítéseket.

A hippocampus nevű agyi régió kritikus a memória kialakulásához, és úgy tűnik, hogy részt vesz a navigációban is. A „hely” sejteknek nevezett hippokampuszban található idegsejtek szelektíven reagálnak a meghatározott helyeken tartózkodásra, kialakítva a környezet kognitív térképét. Az ilyen térinformációk egyértelműen fontosak az „epizodikus” (önéletrajzi, nem pedig tényszerű) memória számára. De így vannak a tapasztalatok más aspektusai is, például az érzékszervi bemenet megváltoztatása. Bizonyíték van arra, hogy a hippocampus neuronjai az érzékszervi változásokat kódolják, azáltal, hogy megváltoztatják a tűz gyakoriságát, ezt a jelenséget „sebességátalakításnak” nevezik. Loren Frank, a Kaliforniai Egyetem, a San Francisco-i idegtudós és munkatársai kutatásai szerint az ilyen változások információt is kódolhatnak arról, hogy hol volt és hol tart az állat, lehetővé téve a sebesség átértékelését az utazási pályák ábrázolására.

A folyamatosan változó változók kódolása mellett, legyenek az érzékszervi bemenetek vagy az útvonal pályái, néhány képalkotó tanulmány korábban azt javasolta, hogy az agy is szegmentált eseményként dolgozza fel a tapasztalatokat. De hogy pontosan hogyan éri el ezt a folyamatot neurális szinten, azt nem tudni. A Nature Neuroscience-ben a múlt héten megjelent új tanulmányban Chen Sun, a Tonegawa laboratóriumában végzős hallgató által vezetett csapat olyan feladatot dolgozott ki, amely megkísérelte szétválasztani az események diszkrét, tagolt jellegét a folyamatosan változó térbeli és érzékszervi részletektől. pillanatról pillanatra tapasztalat. A kutatók egereket képeztek egy négyzet alakú pálya körüli futásra. Négy kör megtétele után az állatokat édes csemegével jutalmazták. Minden kör után felkeresték a jutalomdobozt, minden kísérletet négy „eseményre” osztva (a jutalom meghatározza a próba végét). Minden kör ugyanazon az útvonalon haladt, így az érzékszervi és a helyinformációk állandóak voltak az egyik eseményről a másikra, lehetővé téve a kutatók számára, hogy az agyi aktivitás különbségeit annak tulajdonítsák, ami megváltozott: a köröknek vagy eseményeknek.

A kutatók több száz hippocampus sejtben rögzítették az aktivitást, miközben az egerek elvégezték ezt a feladatot, és azt találták, hogy a sejtek mintegy 30 százaléka körspecifikus mintázatot mutat. Néhányuk nagyon aktív volt, amikor egy rágcsáló átfutotta a helyet, amelyre az első körben reagált, és a hátralévő három körben viszonylag csendes volt. Mások a második körben sokkal többet válaszoltak, mint a többi, és így tovább. Ezek az idegsejtek, amelyeket a kutatók „eseményspecifikus sebesség-átképzésnek” vagy ESR-sejteknek neveztek, mintha jeleznék, melyik körön van az egér.

Annak megerősítésére, hogy az ESR sejtek valóban kódolják az eseményeket, a kutatók kísérleteket végeztek olyan sávok felhasználásával, amelyek egy dimenzió mentén megnyúltak, növelve azok hosszát. Még akkor is, ha a körök hosszát véletlenszerűen megváltoztatták a kísérletek között, a sejtek még mindig sokkal aktívabbak voltak az előnyben részesített körükben, ami azt mutatta, hogy az aktivitás nem kapcsolódhat az eltelt időhöz vagy a megtett távolsághoz. "Az eredmények alátámasztják azt az elképzelést, hogy a hippokampusz kifejezheti a releváns változók reprezentációját, beleértve ebben az esetben a jutalom átadása óta eltelt körök számát is" - mondja Frank, aki nem vett részt a tanulmányban.

Egy másik kísérlet során a csapat az első napon négyzet alakú pályán képezte az egereket, majd a következő körpályát helyettesítette. Az új környezetbe való áttérés azt eredményezte, hogy az ESR sejtek térbeli válaszai teljesen átkerültek a körpályára. Meglepő módon azonban az az kör, amelyre ezek az idegsejtek elsősorban reagáltak, ugyanaz maradt. Ezek a megállapítások azt sugallják, hogy az ESR-aktivitás a tapasztalatok szegmentált egységeit képviseli, és hogy ez az „eseménykód” átvihető a különböző, közös struktúrájú tapasztalatok között.

Tonegawa összehasonlítja ezt a folyamatot egy megszokott forgatókönyvvel. - Ha elmész egy étterembe vacsorázni a barátoddal, akkor ez az epizód különböző szegmensekből áll: megérkezel az étterembe, előételt rendelsz, majd főételt választasz, majd általában desszertet fogyaszthatsz, " mondja. - Amint mindez zajlik, a hozzád érkező ingerek változnak. De ugyanakkor külön események alkotják, ahol az előételről áttérhet a főétel, a desszert stb. A tanulmányban feltárt kódolás megmagyarázhatja, hogy az agy hogyan vonja össze az olyan eseményeket, mint a „főétel”, különböző vendéglátóhelyek látogatása során, különböző barátokkal. Ez az ötlet pedig betekintést nyújthat abba, hogy az agy hogyan általánosítja az ismereteket a hatékony tanuláshoz. "A már meglévő ismereteket átadja a korábbi tapasztalatok alapján, hogy új dolgokat tanuljon" - mondja Tonegawa. "Ezért sokkal gyorsabban megtanulhatunk dolgokat." Ezek a felismerések szerinte segíthetnek a mérnököknek olyan mesterséges intelligencia-rendszerek fejlesztésében, amelyek képesek kompetenciákat egyik környezetből a másikba átvinni, például a kórházak között mozgó orvosi robotok esetében.

A körpályás kísérlet kimutatta, hogy a pontos tartózkodási helyet meghatározó agyi válaszok megváltoztathatók anélkül, hogy befolyásolnák az eseményspecifikus tevékenységet. Egy utolsó kísérlet során a csapat megkérdezte, hogy ez fordítva is igaz-e. A mediális entorhinalis kéregnek (MEC) nevezett régió szorosan együttműködik a hippocampussal a térbeli megismerésben és a navigációban. Bizonyíték van arra is, hogy részt vesz a tapasztalatok szekvenciális eseményekre bontásában. A kutatók optogenetikával (genetikailag megváltoztató sejteket alkalmaznak, amelyek segítségével a fény segítségével aktiválhatók vagy gátolhatók) kikapcsolják a jeleket a MEC-től a hippocampusig, miközben az egerek végrehajtják a futási feladatot. Ennek nem volt hatása a helyspecifikus válaszokra, de teljesen megszakította a körspecifikus válaszokat, ami arra utal, hogy a hely- és eseménykódolást külön lehet manipulálni - annak ellenére, hogy ugyanazok a cellák feldolgozzák a tapasztalat mindkét aspektusát.

A vizsgálat egyik korlátja, hogy a pályán való többszöri futás ellentétben áll a legtöbb természetes élménnyel. "Nincs bizonyíték arra, hogy ezek az eseményekhez kapcsolódó minták akkor léteznének először, amikor egy állat csak olyan eseményeket tapasztal meg, amelyek csak egy már megszokott sorozat sokszoros ismétlődése után jelennek meg" - mondja Frank. "Ez valójában nem ugyanaz, mint az epizodikus emlékeinkben, ahol minden új élmény külön kódolódik és eseményként tárolódik az első (és gyakran csak) alkalommal, amikor megtörténik." Szerinte a sejtek „az ismétlődő elemekkel szerzett tapasztalatok jól megtanult és releváns elemeit” képviselik. Szerinte ez az elrendezés emlékeztet a hippokampus idegsejtjeinek tanulmányaiból származó beszámolókra, amelyek „hasonlóan, de nem azonos módon lángolnak ugyanannak a környezetnek a geometriai szempontból ismétlődő elemeiben”.

"Ez egy éleslátó kísérlet, amelyet a Tonegawa laboratóriumára jellemző gondossággal és számos ellenőrzéssel hajtottak végre" - mondja Buzsáki György idegtudós, az NYU Grossman Orvostudományi Karának orvosa, aki nem vett részt a tanulmányban, bár észrevételeket adott a kutatóknak. De Buzsáki radikálisabban kezeli a történéseket. Úgy gondolja, hogy a kutatók által a hippokampus idegsejtjeihez rendelt összes tulajdonság ugyanazon alapvető mechanizmus különböző aspektusai. Ennek az elképzelésnek a megmagyarázására összehasonlítja a jármű motorjának mozgása, megtett távolsága és az utazás időtartamának különbségével, amelyek egyetlen mögöttes folyamatot tükröznek.

Az epizodikus memória esetében a feltételezett elemek mi, hol és mikor vannak. „Az epizodikus emlékezet meghatározása:„ Mi történt velem, hol és mikor?”- mondja Buzsáki. Ha ezeket az elemeket kombinálja, akkor az újból létrehozza az eseményt. "Ezt hívják emlékezetnek" - teszi hozzá. A kutatók az általuk megfigyelt tevékenységet összekapcsolják azzal, hogy mit, hol vagy mikor, de a hippokampusz csak annyit tesz, hogy hatékonyan kódolja a tapasztalatokat egy neuronális szekvenciába. A hippokampusz „olyan, mint egy könyvtáros, aki azt mondja, hogy menjen az ötödik polcra, a második sorba. Aztán a következő könyv ez, aztán ez és így tovább”- mondja. De a könyvtáros vak ezen szekvenciák tartalmára nézve, amely a kéregben épül fel. Tehát Buzsáki úgy értelmezi az új megállapításokat, hogy a sejtek nem kódolják az elvont „eseményspecifikus” tulajdonságokat, például azt, hogy melyik körszámot vagy vacsoramenetet tapasztalja az ember-annyira, hogy generálják azokat a soros szekvenciákat, amelyek megadják az emlékezetnek azt a rendet, amely szükséges ahhoz, hogy értelmezzük.