Sporing af et minde

Susumu Tonegawa kan få mus til at huske ting, der aldrig er sket. I en bemærkelsesværdig række undersøgelser, som hans laboratorium har offentliggjort i de sidste fire år, har hans team udtænkt måder at spore og manipulere dyrenes minder – implantering af falske minder, ændring af dårlige minder til gode og endda genskabelse af minder hos mus med hukommelsestab. . Disse undersøgelser har fremmet området for hukommelsesforskning og bekræftet den 77-årige Tonegawa som en af ​​dens ledere.

Men da han fortæller om dette arbejde på sit kontor på MIT's Picower Institute for Learning and Memory, virker Tonegawa mest animeret, når han taler om spørgsmål, han endnu ikke har besvaret - såsom dem om mindernes langsigtede skæbne. Hans forskning har i vid udstrækning fokuseret på hippocampus, et område af hjernen, der er afgørende for at huske oplevelser. Forskere har i årtier vidst, at hippocampus kun er et midlertidigt depot, forklarer han. Et minde, som vi gemmer i årevis, opbevares i neocortex.

Jeg spørger ham, hvordan det er muligt for et minde at flytte fra et sted i hjernen til et andet.

Hvordan er det muligt, at en oplevelse som en film, du så i aftes, på en eller anden måde er indlejret i din hjerne?

Det er det, vi studerer nu, siger han, mens hans ansigt lyser op. Hans laboratorium sporer interaktionen mellem de to hjerneområder for at finde ud af, hvordan minderne ender i neocortex. Hvis forskerne kan identificere præcis, hvilke celler der har en langtidshukommelse, kan de begynde at studere og manipulere disse erindringer, som de har gjort med korttidshukommelser. Men det her er på forkant med vores forskning, siger han med et grin, som om han giver noget væk. Dette er næste skridt. Vi laver mange ting, men det er en af ​​de ting, jeg er meget begejstret for.

Forskere, der kender Tonegawa, siger, at han altid tænker på det næste skridt. En af de ting, der karakteriserer Susumu som videnskabsmand, er et ubarmhjertigt fokus på det, han opfatter som det vigtigste problem inden for sit felt, siger David Anderson, neuroforsker ved Caltech. Han er en total videnskabsmand. Han vil gerne vide, hvad svaret på spørgsmålet er; han bekymrer sig om at få det rigtige svar.

Tonegawas laboratorium fandt et hjernekredsløb, der hjælper med at danne episodiske minder. Den sender information om en oplevelse til hippocampus gennem to adskilte veje: Oceanceller (grønne) sender kontekstuelle data; ø celler (røde) relæ timing information.

Han er ikke stor på sociale arrangementer, og han er ikke kendt for smalltalk (medmindre det handler om rødstrømperne). I stedet er han drevet af nysgerrighed. Specifikt om spørgsmål som dette: Hvordan er det muligt, at en oplevelse som en film, du så i aftes, på en eller anden måde er indlejret i din hjerne?

Hukommelse er noget, du ikke kan fastgøre, siger Tonegawa. Begrebsmæssigt er der et spring fra en fysisk enhed til et ikke-fysisk fænomen - information. Spørgsmålet er, hvordan gemmer du oplysningerne? Der skal være en form for fysisk basis for denne opbevaring.

Chokerende minder

Hjernevidenskab er virkelig en anden karriere for Tonegawa, som først blev fremtrædende for arbejde, der hjalp med at forklare, hvordan immunsystemet fungerer. Født i Nagoya, Japan, i 1939, studerede han kemi, før han blev fascineret af molekylærbiologi på college. Han fik sin ph.d. ved University of California, San Diego, og arbejdede på Salk Institute og derefter Basel Institute for Immunology i Schweiz. Der adresserede han problemet med, hvordan immunsystemet kan generere forskellige antistoffer til at forsvare sig mod patogener. Hans eksperimenter, som viste, at det DNA, der bruges til at lave antistoffer, blandes rundt for at give mange nye kombinationer i løbet af et individs levetid, gav ham Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 1987.

Tonegawa blev rekrutteret til MIT i 1981 for at arbejde i dets Center for Cancer Research. Hans forskning involverede gensplejsning af mus for at studere genernes roller i immunsystemet, og det var den teknologi, der først førte ham til neurovidenskab. I midten af ​​1980'erne tillod han en postdoc, Alcino Silva (nu direktør for Integrative Center for Learning and Memory ved UCLA), at udforske en forskningsvej, som han allerede tænkte på: at bruge genteknologi til at studere hjernen. I 1992 rapporterede de, at sletning af et bestemt gen svækkede musens evne til at lære rumlig information. Det var et vigtigt fund: et enkelt gen kunne påvirke en kompleks kognitiv proces.

Gradvist blev sådan arbejde det eneste fokus i Tonegawas laboratorium. Jeg følte, at hjernen er et rigtigt emne for fremtiden, siger han. Neurovidenskab var et spirende felt, og gensplejsede mus åbnede en ny måde at undersøge det på.

Susumu Tonegawa

Tonegawa besluttede at fokusere på indlæring og hukommelse. Han så, at det er et af de mest kritiske spørgsmål inden for neurovidenskab at finde ud af, hvordan hjernen tilegner sig information og lagrer minder. Selvom hjernen er sammensat af celler som ethvert andet organ, er den anderledes i en vigtig henseende. Hjernen har tilegnet sig evnen til at tage noget information, der kommer udefra, og gemme den og bruge den, siger han. Det er en virkelig grundlæggende funktion af hjernens funktion.

Tonegawa brugte betydelige ressourcer på at løse dette spørgsmål og grundlagde Center for læring og hukommelse (senere kaldet Picower Institute) ved MIT i 1994. Han ville fungere som dets direktør indtil 2006. I 1996 havde hans laboratorium hjulpet med at udvikle en teknik til at slukke et gen af ​​interesse i specifikke hjerneregioner og celletyper, hvilket gør det muligt i hidtil uset detalje at undersøge, hvordan proteinerne produceret af disse gener påvirker dyrenes kognitive processer. For nylig er Tonegawas laboratorium, ligesom mange andre inden for neurovidenskab, begyndt at bruge nye teknologier såsom optogenetik, som gør det muligt at studere indbyrdes forbundne netværk af celler i den levende dyrehjerne. Dette er et vigtigt fremskridt, siger han, fordi en enkelt hukommelse er dannet ud fra et mønster af forbindelser mellem en unik undergruppe af celler.

Disse teknologier giver Tonegawa mulighed for at undersøge detaljerne omkring hukommelsesdannelse. Tidligere forskning gjorde det muligt for forskere at identificere områder af hjernen, der generelt er involveret i hukommelsesdannelse og -lagring. Men at identificere en enkelt, unik hukommelse er meget mere udfordrende. En tysk zoolog, Richard Semon, opfandt udtrykket engram i det tidlige 20. århundrede for at beskrive den fysiske signatur af en enkelt hukommelse. Når du oplever eller lærer ny information, spekulerede han, ændrer nogle hjerneceller sig, og når du møder en lignende stimulus senere, bliver de samme celler genaktiveret, hvilket får dig til at genkalde hukommelsen.

Teorien blev ignoreret i årtier, men i de senere år har forskere gjort fremskridt med at jagte den fysiske signatur af specifikke hukommelsesengrammer i hippocampus. De viste for eksempel, at sletning af de hjerneceller, der var aktive under dannelsen af ​​en hukommelse, fik dyr til at glemme denne information. Men ligesom alle taktikker, der er afhængige af hjerneskade, er denne tilgang begrænset, siger Sheena Josselyn, en seniorforsker ved Hospital for Sick Children i Toronto. Man kan gøre mange ting for at få en mus til ikke at huske noget eller ikke kunne udføre en opgave, siger hun. Der er ingen specificitet der.

Laboratoriet kurerede symptomer på depression hos mus ved kunstigt at genaktivere glade minder. Disse nyfødte celler i hippocampus var resultatet af reaktivering af hukommelsen.

For bedre at forstå processen, siger Tonegawa, skulle de være i stand til at genaktivere en hukommelse, ikke bare ødelægge den. Det gennembrud kom i 2012, da laboratoriemedlemmerne Xu Liu og Steve Ramirez, PhD '15, udgav en artikel i Natur demonstrerer, at de kunne fremkalde en bestemt hukommelse i en mus efter behag.

For at gøre det samlede Liu og Ramirez (en 2013 TR35-vinder) to teknologier udviklet i andre laboratorier og udvidede dem. Den ene er optogenetik, som introducerer et lysfølsomt protein i cellerne, så de kan aktiveres med lys. Den anden er en teknik til at mærke hjerneceller involveret i hukommelsesdannelse. Liu og Ramirez holdt musene på stoffet doxycyclin, som undertrykker mærkningen; derefter tog de musene fra stoffet i et kort tidsrum, så de kunne målrette mod hukommelsesceller, der var aktive under en bestemt begivenhed. Resultatet: celler, som de identificerede som værende en specifik hukommelse - som forskerne kalder engramcellerne - kan senere aktiveres med lys.

Liu og Ramirez brugte teknikken til at mærke celler i hippocampus på en mus, mens den oplevede et mildt fodchok i et bur. Normalt ville en mus, der vendte tilbage til det samme bur, fryse fast, immobiliseret af hukommelsen om sin dårlige oplevelse, men den ville opføre sig som sædvanlig, når den blev anbragt i et bur, den ikke associerede med chokket. I dette tilfælde placerede forskerne imidlertid musen i et sikkert bur og leverede lysimpulser gennem små fibre for at aktivere engram-cellerne i hippocampus. Dyret frøs lige som om det huskede at være chokeret i det miljø.

Ramirez, som nu er hovedefterforsker ved Harvard's Center for Brain Science, siger, at han og Liu blev inspireret af filmen Begyndelse og blev virkelig forelsket i denne idé om at skabe en ny eller falsk hukommelse. (Liu døde i 2015, kort efter at være blevet adjunkt ved Northwestern University.) I et opfølgende papir mærkede de hukommelsesdannende celler, når mus udforskede et normalt bur. Næste dag satte de musene i et andet bur og afgav et fodchok, mens de aktiverede de mærkede celler. Da musene blev placeret igen i det sikre bur, frøs de af frygt, hvilket tyder på, at de havde fået det falske minde om at være chokerede i det bur.

Presser hårdt

Tonegawa giver de 40 medlemmer af sin gruppe ekstraordinær frihed, autonomi og tid til at få det rigtige svar eller designe det perfekte eksperiment. Ramirez kalder laboratoriet, som strækker sig over to etager af Picower Institute, for en legeplads for videnskab, og tilføjer, at Tonegawa ikke er gift med et bestemt dogme eller et bestemt resultat. Han opfordrer folk til at følge med i dataene, siger han.

Tonegawa er også kendt for at presse sine laboratoriemedlemmer. Kandidatstuderende Dheeraj Roy husker sin begejstring, da han mødtes med Tonegawa i september 2014 for at vise de seneste data, han havde indsamlet. Roy undersøgte, om han kunne genoprette tabte minder hos mus med en tilstand, der ligner tidlig Alzheimers sygdom. Han havde møjsommeligt ændret den teknik, som Liu og Ramirez havde udviklet til at virke i disse mus, og hans data så flotte ud: ved at aktivere engram-celler med lys kunne han få Alzheimer-musene til at huske, at de fik et fodchok i et bur flere dage før, noget de normalt ville have glemt.

Tonegawas gruppe identificerede cellerne (vist med rødt), hvor hukommelsesspor er lagret i musens hippocampus. Forskerne var i stand til at plante falske minder ved at genaktivere disse celler.

Men Tonegawas reaktion var ikke lige, hvad Roy havde håbet på. Efter de første to minutter af vores møde var han allerede gået videre, husker Roy. Hvad hvis der var en måde at genoprette hukommelsen permanent, undrede han sig, ikke kun når lyset var tændt? Det var en idé, de aldrig havde talt om før, men Roy formoder, at det kan have været i Tonegawas sind hele tiden.

Det var, hvad Roy kalder det berømte 'men.'

Han siger: ’Hvis bare vi kunne lave et eksperiment mere.’ Vi har alle hørt det fire hundrede gange, siger Roy. Han vil ikke fortælle dig stien, men han vil vise dig målstregen.

Det tog yderligere 12 måneders eksperimenter efter det møde, men Roy fortsatte med at opdage, at forbindelserne mellem engram-celler var svagere hos mus med hukommelsesmangel, og han udviklede en protokol til at pulsere lys gentagne gange på cellerne, der fik forbindelserne til at styrke og minder. at fortsætte, selv når lyset var slukket. Forskningen, der blev offentliggjort tidligere i år, viste ikke kun, at minderne består i de syge mus; det tilbød et nyt koncept til at genoprette hukommelsen ved neurodegenerative sygdomme.

Anden forskning i Tonegawas laboratorium har udforsket engram-cellernes rolle i normal adfærd såvel som sygdom. Ramirez og Liu ledede en undersøgelse, der fandt ud af, at de kunne eliminere depressionslignende adfærd hos mus udsat for kronisk stress ved at reaktivere engram-celler forbundet med en tidligere positiv oplevelse. Forskning ledet af Roger Redondo, dengang postdoc, og kandidatstuderende Joshua Kim undersøgte, om opfattelsen af ​​en hukommelse som negativ eller positiv kunne vendes. Og en nylig undersøgelse i Science identificerede et område af hippocampus involveret i at huske sociale interaktioner. Da Teruhiro Okuyama arbejdede med mus for at aktivere engram-celler knyttet til hukommelsen om at møde en anden mus, reagerede dyret, som om en ny mus var bekendt.

Disse undersøgelser har fascineret offentligheden med antydningen om, at vores minder er formbare, men Tonegawa påpeger, at det stadig er langt væk at oversætte gnavereksperimenter til menneskelige resultater. Vi håber, at det, vi laver med dyreforsøg, er nyttigt til fremtidig terapi, siger han. Men sikkert at stimulere menneskelige hjerneceller og kredsløb med en sådan præcision er stadig ikke muligt.

I stedet har han fokuseret på flere spørgsmål, der er dukket op fra denne forskning. Han udforsker forholdet mellem hippocampus og andre hjerneområder, fortsætter med at optrevle følelsernes rolle i hukommelsen og undersøger, hvordan vi husker sekvenser af tidligere begivenheder.

Tonegawa, som leder RIKEN-MIT Center for Neural Circuit Genetics og RIKEN Brain Science Institute i Japan, har for nylig reduceret størrelsen af ​​sit laboratorium og siger, at han muligvis udfører færre af de udforskende projekter, der ofte har ført hans forskning i nye retninger. Hans interesser er blevet indsnævret, siger han, i kølvandet på en personlig tragedie: selvmordet af hans søn Satto, en MIT-studerende, i 2011. Men hans vedvarende fokus på sit videnskabelige arbejde har hjulpet ham med at klare sin sorg.

Så længe jeg er i live og har energi, vil jeg gerne fortsætte, siger han, men han tilføjer grinende: Jeg tror, ​​jeg bliver ved med hukommelsen.

Bemærk: Denne historie blev ændret den 16. november 2016.

skjule