นักวิทยาศาสตร์เฝ้าดูรูปแบบความทรงจำในสมองที่มีชีวิต

สมองของลูกน้ำปลาม้าลายอายุ 7 วันคันนี้เรืองแสงด้วยเครื่องหมายเรืองแสงที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อให้เห็นการทำงานของระบบประสาท ปลาที่ดัดแปลงด้วยวิธีนี้เพิ่งถูกนำมาใช้ในการศึกษาการสร้างความทรงจำ

Andrey Andreev, Thai Truong, สก็อตต์ เฟรเซอร์; ศูนย์ถ่ายภาพการแปล USC

ลองนึกภาพว่าในขณะที่คุณเพลิดเพลินกับชาม Cheerios ยามเช้า แมงมุมตัวหนึ่งตกลงมาจากเพดานและตกลงไปในนม หลายปีต่อมา คุณยังคงไม่สามารถเข้าใกล้ชามซีเรียลได้โดยไม่รู้สึกรังเกียจ

นักวิจัยได้สังเกตโดยตรงว่าเกิดอะไรขึ้นภายในสมองที่เรียนรู้การตอบสนองทางอารมณ์แบบนั้น ใน การศึกษาใหม่ที่ ตีพิมพ์ในเดือนมกราคมใน Proceedings of the National Academy of Sciences ทีมงานจาก University of Southern California ได้เห็นภาพความทรงจำที่ก่อตัวขึ้นในสมองของปลาในห้องปฏิบัติการ ถ่ายภาพภายใต้กล้องจุลทรรศน์ขณะที่พวกมันเบ่งบานในสีเขียวเรืองแสงสวยงาม . จากการทำงานก่อนหน้านี้ พวกเขาคาดว่าสมองจะเข้ารหัสหน่วยความจำโดยปรับแต่งสถาปัตยกรรมประสาทเล็กน้อย นักวิจัยกลับรู้สึกประหลาดใจที่พบการยกเครื่องครั้งใหญ่ในการเชื่อมต่อ

สิ่งที่พวกเขาเห็นตอกย้ำมุมมองที่ว่าความทรงจำเป็นปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับการผสมผสานเส้นทางการเข้ารหัส แต่ยังแนะนำเพิ่มเติมว่าประเภทของหน่วยความจำอาจมีความสำคัญต่อวิธีที่สมองเลือกที่จะเข้ารหัสซึ่งเป็นข้อสรุปที่อาจบอกเป็นนัยว่าเหตุใดการตอบสนองที่กระทบกระเทือนจิตใจอย่างลึกซึ้งบางประเภทจึงยังคงอยู่และยากที่จะเรียนรู้

ผู้เขียนร่วม Scott Fraser นักชีววิทยาเชิงปริมาณของ USC กล่าวว่า “อาจเป็นได้ว่าสิ่งที่เรากำลังมองหาเทียบเท่ากับไดรฟ์โซลิดสเตต” แม้ว่าสมองจะบันทึกความทรงจำบางประเภทในรูปแบบที่ระเหยง่าย ลบออกได้ง่าย แต่ความทรงจำที่หวาดกลัวอาจถูกจัดเก็บไว้อย่างแข็งแกร่งยิ่งขึ้น ซึ่งอาจช่วยอธิบายได้ว่าทำไมในหลายๆ ปีต่อมา บางคนสามารถจำความทรงจำได้ราวกับได้รื้อฟื้นความทรงจำนั้นขึ้นมาใหม่ เขากล่าว

มักมีการศึกษาความจำในเยื่อหุ้มสมอง ซึ่งครอบคลุมส่วนบนของสมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม และในสมองส่วนฮิปโปแคมปัสที่ฐาน แต่มีการตรวจสอบน้อยกว่าในโครงสร้างที่ลึกกว่า เช่น ต่อมทอนซิล ซึ่งเป็นศูนย์ควบคุมความกลัวของสมอง ต่อมทอนซิลมีหน้าที่รับผิดชอบเป็นพิเศษสำหรับความทรงจำที่เชื่อมโยงกัน ซึ่งเป็นกลุ่มความทรงจำที่สำคัญที่อัดแน่นด้วยอารมณ์ซึ่งเชื่อมโยงสิ่งต่าง ๆ เข้าด้วยกัน เช่น แมงมุมตัวนั้นในซีเรียลของคุณ แม้ว่าหน่วยความจำประเภทนี้จะพบได้ทั่วไป แต่รูปแบบดังกล่าวก็ยังไม่เข้าใจดีนัก ส่วนหนึ่งเป็นเพราะเกิดขึ้นในบริเวณที่ค่อนข้างเข้าถึงไม่ได้ของสมอง

เฟรเซอร์และเพื่อนร่วมงานเห็นโอกาสที่จะหลีกเลี่ยงข้อจำกัดทางกายวิภาคนั้น และเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการสร้างความทรงจำที่เชื่อมโยงกันโดยใช้ปลาม้าลาย ปลาไม่มีต่อมทอนซิลเหมือนสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แต่มีบริเวณคล้ายคลึงกันที่เรียกว่าพาลเลียมซึ่งมีความทรงจำที่เชื่อมโยงกัน Fraser อธิบายว่า “ในขณะที่สมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่กำลังพัฒนาเติบโตขึ้นโดยเพียงแค่ขยายใหญ่ขึ้นเท่านั้น – “พองตัวเหมือนเป็นบอลลูน” – สมองของปลาม้าลายเกือบจะกลับกลายเป็น “เหมือนเมล็ดข้าวโพดคั่ว ดังนั้นศูนย์ลึกเหล่านั้น อยู่ใกล้กับพื้นผิวที่เราสามารถจินตนาการได้” ยิ่งไปกว่านั้น ตัวอ่อนของปลาม้าลายยังโปร่งใส ดังนั้นนักวิจัยจึงสามารถมองเข้าไปในสมองของพวกมันได้โดยตรง

นักประสาทวิทยามักเห็นด้วยว่าสมองสร้างความทรงจำโดยการปรับเปลี่ยนไซแนปส์ของมัน ซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อเล็กๆ ที่เซลล์ประสาทมาบรรจบกัน แต่ส่วนใหญ่เชื่อว่าส่วนใหญ่ทำได้โดยการปรับความแรงของการเชื่อมต่อหรือว่าเซลล์ประสาทหนึ่งเซลล์กระตุ้นแรงแค่ไหน Fraser กล่าว

เพื่อให้กระบวนการนั้นมองเห็นได้ Fraser และทีมของเขาได้ดัดแปลงพันธุกรรมของปลาม้าลายเพื่อผลิตเซลล์ประสาทที่มีเครื่องหมายโปรตีนเรืองแสงที่ผูกกับไซแนปส์ของพวกมัน โปรตีนเครื่องหมายที่สร้างขึ้นในห้องทดลองของ Don Arnold ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพและวิศวกรรมชีวภาพที่ USC เรืองแสงภายใต้แสงเลเซอร์สลัวของกล้องจุลทรรศน์แบบกำหนดเอง: ความท้าทายคือ “เพื่อให้สามารถดักฟังบางสิ่งบางอย่างในขณะที่มันเกิดขึ้น ” แต่ใช้แสงน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อหลีกเลี่ยงการไหม้เกรียมสิ่งมีชีวิต Fraser กล่าว นักวิจัยสามารถมองเห็นไม่เพียงแต่ตำแหน่งของไซแนปส์แต่ละตัวเท่านั้น แต่ยังมองเห็นความแรงของไซแนปส์ด้วย ยิ่งแสงสว่างมากเท่าใด การเชื่อมต่อก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น

ภาพถ่ายของ Scott Fraser นักชีววิทยาจาก University of Southern California

นักชีววิทยาเชิงปริมาณ สกอตต์ เฟรเซอร์ และเพื่อนร่วมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนีย มองไปที่การก่อตัวของความทรงจำที่เชื่อมโยงกันที่ไม่พึงประสงค์ในสมองของปลาม้าลาย

ได้รับความอนุเคราะห์จาก Scott Fraser

เพื่อกระตุ้นความทรงจำ เฟรเซอร์และทีมของเขาได้ปรับสภาพตัวอ่อนของปลาม้าลายให้เชื่อมโยงแสงกับความร้อนที่ไม่สะดวก มากเท่ากับที่ Ivan Pavlov นักสรีรวิทยาชาวรัสเซียในศตวรรษที่ 19 ได้ปรับสภาพสุนัขของเขาให้น้ำลายไหลโดยคาดหวังว่าจะได้รับขนมเมื่อได้ยินเสียงของ กระดิ่ง. ลูกปลาม้าลายเรียนรู้ที่จะพยายามว่ายน้ำออกไปทุกครั้งที่เห็นแสง (ในการทดลอง หัวของตัวอ่อนถูกตรึงไว้ แต่หางของพวกมันสามารถแกว่งไปมาได้อย่างอิสระเพื่อเป็นตัวบ่งชี้ถึงพฤติกรรมที่เรียนรู้) นักวิจัยได้ถ่ายภาพพาลเลียมก่อนและหลังการเรียนรู้ของปลา และวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของความแรงของไซแนปส์และตำแหน่งของไซแนปส์

ตรงกันข้ามกับที่คาดหวัง จุดแข็งของ synaptic ในแพลเลี่ยมยังคงเหมือนเดิมไม่ว่าปลาจะได้เรียนรู้อะไรก็ตาม ในปลาที่เรียนรู้นั้น synapses ถูกตัดแต่งจากบางส่วนของ palleum ซึ่งทำให้เกิดผลกระทบ “เช่นการตัดต้นบอนไซ” Fraser กล่าวและปลูกทดแทนในที่อื่น

การศึกษาก่อนหน้านี้ได้แนะนำบางครั้งว่าความทรงจำสามารถเกิดขึ้นได้จากการเพิ่มและการลบไซแนปส์ แต่การแสดงภาพสมองในแบบเรียลไทม์และในวงกว้างนี้แสดงให้เห็นว่าวิธีการสร้างหน่วยความจำนี้อาจมีความสำคัญมากกว่าที่นักวิจัยตระหนัก แม้ว่าจะไม่ใช่ข้อพิสูจน์ที่แน่ชัด แต่ “ฉันคิดว่ามันเป็นหลักฐานที่น่าสนใจ” ว่านี่อาจเป็นวิธีหลักในการสร้างความทรงจำของสมอง Tomás Ryan นักประสาทวิทยาจาก Trinity College Dublin ผู้ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษากล่าว

เพื่อกระทบยอดผลการศึกษาใหม่ของพวกเขากับความคาดหวังเบื้องต้นเกี่ยวกับการสร้างความจำ เฟรเซอร์ อาร์โนลด์ และทีมของพวกเขาตั้งสมมติฐานว่าประเภทของหน่วยความจำอาจชี้นำวิธีที่สมองเลือกที่จะเข้ารหัส Fraser กล่าวว่า “งานที่เกี่ยวข้องที่เราเคยดูมาอาจเป็นความทรงจำที่แข็งแกร่งที่สุด สำหรับปลา พวกมันทำหรือตาย ดังนั้น “ไม่น่าแปลกใจเกินไปที่คุณอาจเข้ารหัสความทรงจำที่แข็งแกร่งเหล่านี้ด้วยวิธีที่แข็งแกร่งมาก”

แต่สิ่งที่เหมาะสมในการเก็บความทรงจำที่หวาดกลัวไว้อาจไม่ดีที่สุดสำหรับความทรงจำประเภทธรรมดาๆ เมื่อเรียนรู้การออกเสียงชื่อใครสักคน คุณอาจจะ “ไม่อยากดึงไซแนปส์ออกจากสมองของคุณและเพิ่มชื่อใหม่” เฟรเซอร์กล่าว

Fraser และทีมของเขาหวังว่าในที่สุดโมเดลนี้อาจช่วยให้พวกเขาตรวจสอบกลไกที่เกี่ยวข้องกับความทรงจำที่ก่อให้เกิดโรคเครียดหลังเหตุการณ์สะเทือนใจ และอาจนำไปสู่กลยุทธ์ที่เป็นไปได้ในการดูแลสภาพนั้น

คลิฟฟ์ อับราฮัม ศาสตราจารย์ด้านจิตวิทยาจากมหาวิทยาลัยโอทาโกในนิวซีแลนด์ ซึ่งไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาวิจัย กล่าวว่า เป็นไปได้ที่การค้นพบนี้เกี่ยวข้องกับอายุของปลาม้าลายมากกว่าประเภทของความจำ “เรารู้ว่ามีการตัดแต่งกิ่งและปรับโครงสร้าง synaptic เป็นจำนวนมากอันเป็นผลมาจากประสบการณ์ระหว่างการพัฒนาในส่วนต่างๆ ของสมอง” อับราฮัมกล่าว หากนักวิจัยพิจารณาปลาม้าลายที่โตเต็มวัย ซึ่งทำได้ยากกว่าเพราะมีความโปร่งใสน้อยกว่าและมีสมองที่ใหญ่กว่า พวกเขาอาจได้ผลลัพธ์ที่ต่างออกไป

บทความนี้เป็น “เทคนิคทัวร์เดอฟอร์ซ” เขากล่าวเสริม แต่เป็นเพียงส่วนหนึ่งของปริศนาว่าความทรงจำก่อตัวอย่างไร และยังมีคำถามที่ยังไม่ได้รับคำตอบอีกมาก เช่น ความทรงจำเหล่านั้นและการเปลี่ยนแปลง synaptic ยังคงอยู่ในปลาม้าลายนานแค่ไหน .

นักวิจัยหวังว่าจะดูว่าการค้นพบนี้แปลเป็นสัตว์ที่มีสมองขนาดใหญ่และแม้กระทั่งสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหรือไม่ และเพื่อตรวจสอบว่าปลาม้าลายและสัตว์อื่นๆ เหล่านี้สร้างความทรงจำที่มีอารมณ์หรือบาดแผลน้อยกว่าได้อย่างไร

“ฉันคิดว่าทุกคนเคยคิดว่ามีวิธีมากมายที่สมองสามารถจัดเก็บความทรงจำได้” เฟรเซอร์กล่าว “ความสวยงามของมันคือ ฉันพนันได้เลยว่าพวกเขาทั้งหมดถูกต้อง และคำถามก็คือ มันจะทำงานร่วมกันได้อย่างไร”

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น