Fale świetlne zmieniające wspomnienia - optogenetyczne badania nad pamięcią

Fale świetlne zmieniające wspomnienia - optogenetyczne badania nad pamięcią

 To, co jeszcze kilka lat temu wydawało się science fiction, dziś powoli staje się rzeczywistością. Ogłoszone zostały wyniki pierwszych udanych eksperymentów, w których dokonano manipulacji wspomnieniami. Osiągnięcie mechanicznej kontroli nad pamięcią nadal jest (na szczęście?) perspektywą odległą i być może nigdy nieosiągalną. W laboratoriach najlepszych ośrodków naukowych na świecie dzieją się jednak rzeczy zdumiewające. W ogromnej mierze są one zasługą wykorzystania jednej z najbardziej nowatorskich i zaawansowanych metod badań neurobiologicznych – optogenetyki.

Jest to młoda technika łącząca w sobie elementy genetyki i optyki. W 2010 roku Nature Methods uznało ją ze metodę roku wróżąc jej - dosłownie i w przenośni - świetlaną przyszłość. Najogólniej rzecz biorąc, wykorzystuje się w niej światłoczułe białka, które na wektorach wirusowych wprowadza się do komórek nerwowych. Są one swoistymi kanałami aktywującymi się pod wpływem światła o różnej długości fal. Optogenetyka stwarza możliwość wybiórczego pobudzania lub hamowania neuronów, a to z kolei otwiera nieosiągalne wcześniej drogi badania bardzo specyficznych struktur mózgu i określania ich specyficznych relacji względem siebie. Przy użyciu tej techniki oraz wykorzystaniu transgenicznych modeli zwierzęcych prowadzone są zaawansowane badania nad mechanizmami uzależnień, depresji, a także choroby Parkinsona czy epilepsji.
Dlaczego w takim razie nie wykorzystać optogenetyki w celu specyficznej manipulacji engramami pamięci? Otóż wielu naukowców podjęło się już tego zadania, a część z nich osiągnęła w nim nawet bardzo obiecujące wyniki.
 

„Włączanie i wyłączanie” lęku

Badacze z University of California zaprojektowali eksperyment, w którym za podstawę naukową badań przyjęli zjawisko długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (ang. LTP – long-term potentiation). Stanowi ono biologiczne podłoże procesu uczenia się – w efekcie częstego pobudzania dwóch neuronów zachodzą trwałe zmiany plastyczne, a synapsa staje się bardziej drożna – pracuje wydajniej, co skutkuje to łatwiejszym przepływem impulsów nerwowych. Naukowcy wprowadzili światłoczułą opsynę (kanałorodopsynę) na nośniku wirusowym umieszczając ją w amygdalach szczurzych mózgów. Są to struktury mające szczególne znaczenie w generowaniu odpowiedzi lękowej. Następnie uwarunkowali szczury podając im lekkie szoki elektryczne, które zostały przez zwierzęta skojarzone z falami świetlnymi o określonej długości (takimi, które optogenetycznie były w stanie aktywować neurony w ciele migdałowatym). W następstwie tego klasycznego procesu warunkowania, szczury odpowiadały lękiem w obecności samego bodźca świetlnego. Co więcej, po zbadaniu mózgów gryzoni okazało się, że w ciałach migdałowatych rzeczywiście doszło do wzrostu LTP na skutek stymulacji światłem. Nieco upraszczając można więc powiedzieć, że opisywany eksperyment pokazał możliwość wytwarzania śladów pamięciowych za pomocą pobudzania komórek nerwowych odpowiednim światłem. Co wydaje się w tym kontekście szczególnie ważne, naukowcy potwierdzili także, że stymulacja komórek innym rodzajem światła, może prowadzić do zjawiska przeciwstawnego, tj. długotrwałego osłabienia synaptycznego (ang. LTD – long-term depression). Na poziomie behawioralnym oznacza to, że zwierzęta zwyczajnie „zapominają” o lękowym bodźcu. Cytując autora badań, profesora Malinova „możemy bawić się pamięcią jak jo-jo”. To obrazowe podsumowanie jest jak najbardziej trafne – bo jak inaczej określić to, że przy użyciu zaawansowanej techniki z pogranicza optyki i inżynierii genetycznej możliwe stało się „włączanie i wyłączanie” wspomnień?

Jak powstają fałszywe wspomnienia?

Innym obszarem fascynującym badaczy jest wciąż obecna w nauce i życiu społecznym kwestia fałszywych wspomnień. Grupa naukowców z Massachusetts Institute of Technology z sukcesem zakończyła eksperyment wszczepienia takich wspomnień laboratoryjnym myszom. Badaniami kierował Susumu Togenawa – laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny z 1987 roku. Tym razem we współpracy z innymi badaczami udało mu się sprawić, że zwierzęta „przypominały” sobie sytuację, która nigdy nie miała miejsca… Jak tego dokonali? Wykorzystali wiedzę zdobytą dzięki eksperymentom z zaszczepianiem lękowych wspomnień. Pierwszego dnia eksperymentu umieścili myszy w klatce oświetlonej czerwonym światłem i przesiąkniętej zapachem octu. Każda mysz za pomocą manipulacji technikami optogenetyki otrzymała wirus z genem białka wrażliwego na specyficzne światło. Następnego dnia myszy zostały umieszczone w całkowicie innym środowisku – w komorze wyraźnie wyczuwalny był zapach migdałów, a podłoga tym razem była zbudowana z metalowej siatki. Dzięki temu, że do mózgów myszy wszczepiono odpowiednie światłowody, badacze za pomocą laserowego światła pobudzili te same komórki, które aktywne były wtedy, kiedy gryzonie przebywały w pierwszej komorze. Jednocześnie podali im lekkie szoki elektryczne, każdy trwający po dwie sekundy. Następnie z powrotem umieścili myszy w pierwszej komorze, a więc w tej samej, w której nigdy nie doznały żadnych nieprzyjemnych zdarzeń. Okazało się jednak, że zaraz po umieszczeniu zwierząt w teoretycznie „bezpiecznym” środowisku, nieruchomieją one, nerwowo oczekując szoku. Oznacza to nic innego jak to, że wykształciły one fałszywe wspomnienia co do tego, że doznały szoków w pierwszej komorze. Sam Togenawa przyznaje, że udany eksperyment jest dopiero pierwszym krokiem w kierunku opisania mechanizmu tworzenia się fałszywych śladów pamięciowych. Co więcej, należy pamiętać, że mózg człowieka w porównaniu z mózgiem myszy cechuje się zdecydowanie większym skomplikowaniem i złożonością kierujących nim mechanizmów. Niemniej jednak, udany eksperyment daje nadzieję na odkrycie neuronalnych procesów prowadzących do powstania nieprawdziwych śladów pamięciowych. Ogromne znaczenie ma fakt, że dzięki optogenetyce można analizować te procesy z niesamowitą, komórkową wręcz precyzją.

Badania, podczas których dokonuje się manipulacji śladami pamięciowymi mogą fascynować, zachwycać, a niektórych nawet przerażać. Warto w tym miejscu podkreślić, że są to eksperymenty, w których ogromną wiedzę, osiągniecia technologiczne oraz naukową pasję jednoczy się w celu odnalezienia odpowiedzi na pytania dotąd – z powodu swojej śmiałości – nawet nie zadawane. Rozwiązanie zagadki fałszywych wspomnień czy formowania się nieadekwatnych, uniemożliwiających normalne funkcjonowanie reakcji lękowych dałoby zielone światło na odnalezienie skutecznych metod leczenia i ograniczyłoby ilość błędów popełnianych w procesach sądowych. Choć droga wydaje się odległa, to cel jest szczytny. Miejmy nadzieję, że nauka rozwiąże i tę zagadkę.

Opracowała: Łucja Kudła

Teksty źródłowe:
http://www.theguardian.com/science/neurophilosophy/2014/jun/03/optogenetic-memory-switch?view=desktop
http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=56267
http://www.sciencedaily.com/releases/2013/07/130725141711.htm
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/abs/nature13294.html
http://www.sciencemag.org/content/341/6144/387

 

Wielu z nas wizyta u dentysty nie kojarzy się zbyt przyjemnie. Mimo że obecnie powszechnie stosuje się środki znieczulające,... czytaj więcej
W największym uproszczeniu plastyczność mózgu można zdefiniować jako zmianę liczby połączeń synaptycznych mózgu, ale także ic... czytaj więcej
6 lutego 2017 roku na stronie Uniwersytetu Warszawskiego znalazła się informacja: „Dzięki terapii opracowanej przez dr Katarz... czytaj więcej
Analfabetyzm z perspektywy współczesnej Polski wydaje się problemem marginalnym, wystarczy jednak spojrzeć na inne kontynenty... czytaj więcej