Беше денят преди Коледа и обикновено натоварената лаборатория за MIT на улица Васар в Кеймбридж беше тиха. Но съществата определено се разбъркваха, включително мишка, която скоро ще бъде световно известна.
Свързани четива
Луноходство с Айнщайн: Изкуството и науката да запомним всичко
КупуваСвързано съдържание
- Мозъчните импланти могат да бъдат способни да шокират повредените спомени обратно във формата
Стив Рамирес, 24-годишен докторат по това време, постави мишката в малка метална кутия с черен пластмасов под. Вместо любопитно да подуши наоколо, животното моментално замръзна от ужас, припомняйки си опита от получаване на шок от крак в същата кутия. Това беше реакция на страх от учебник и ако нещо друго, позата на мишката беше по-твърда, отколкото Рамирес очакваше. Споменът му за травмата сигурно е бил доста жив.
Което беше невероятно, защото паметта беше фалшива: Мишката никога не е получавала токов удар в тази кутия. По-скоро реагираше на лъжлив спомен, който Рамирес и неговият колега от MIT Сю Лю бяха засадили в мозъка му.
„Весела Коледа на Коледа“, прочетете темата на имейла, който Рамирес изстреля към Лиу, който прекарваше почивката през 2012 г. в Национален парк Йосемити.
Наблюдението завърши с повече от две години на дългогодишни изследователски усилия и подкрепи изключителна хипотеза: Не само беше възможно да се идентифицират мозъчните клетки, участващи в кодирането на една памет, но и тези специфични клетки могат да бъдат манипулирани, за да се създаде изцяло нова „Спомен“ за събитие, което никога не се е случило.
„Това е фантастичен подвиг“, казва Хауърд Айхенбаум, водещ изследовател на паметта и директор на Центъра за невронауки в Бостънския университет, където Рамирес е завършил своята студентска работа. „Това е истински пробив, който показва силата на тези техники за справяне с основни въпроси за това как работи мозъкът.“
При пробив на невронауката дуото имплантира фалшива памет в мишкаПерспективата да се занимава точно с паметта измъчва учените от години. "Много хора са мислили по този начин", казва Шийна Джоселин, старши невролог в болницата за болни деца в Торонто, която изучава клетъчните основи на паметта, "но те никога не са мечтали, че тези експерименти всъщност ще работят. Никой никога не е мислил, че всъщност можеш наистина да направиш това. "
С изключение на Рамирес и Лю. Тяхната работа даде началото на нова ера в изследванията на паметта и някой ден може да доведе до нови лечения за медицински и психиатрични страдания като депресия, посттравматично стресово разстройство и болест на Алцхаймер. „Небето наистина сега е границата“, казва Джоселин.
Въпреки че досега работата е вършена върху лабораторни мишки, откритията на дуета отварят по-дълбока мисъл в човешката природа. Ако спомените могат да бъдат манипулирани по желание, какво означава да имаш минало? Ако можем да изтрием лоша памет или да създадем добър, как да развием истинско чувство за себе си? „Паметта е идентичност“, пише британският автор Джулиан Барнс в мемоара си „Нищо да се плашиш“. „Вие сте това, което сте направили; това, което сте направили, е в паметта ви; това, което си спомняш, определя кой си. "
***
Учените питат: Можем ли да се намесим в депресивно състояние чрез реактивиране на положителни спомени? (Ирвин Серано) 
Около 5 процента от милиона клетки на зъбната гънка са активни, когато мишката кодира памет на място. Тук активните клетки са розови и оранжеви. (Сю Лю и Стив Рамирес) 
В този изглед на мозъка на мишката клетките, които Стив Рамирес и Сю Лю могат да контролират със светлина, изглеждат червени. Други активни клетки са в зелено. (Стив Рамирес и Сю Лю) 
Клетките, активни по време на една памет, често се различават по своята генна активност, червено спрямо зелено. Разбирането на разликите може да повиши ефективността на манипулирането на паметта. (Стив Рамирес и Сю Лю) 
Клетките в мозъка на мишката са обозначени според възрастта им на това изображение. Клетките, по-млади от три седмици, в червено, почти не са активни по време на формирането на паметта. (Стив Рамирес и Сю Лю) „Винаги съм се изумявал от нивото на контрол, което науката може да има над света“, казва Рамирес, който събира скали като дете и си спомня, че е изумен, че всъщност има начини да разбера колко са стари скали. „Примерът е банален досега - казва той, - но като вид поставяме някого на Луната. И разбрахме в по-голямата си част как да изкореним неща като едра шарка, неща, които не можеш да видиш, по чието съществуване трябва да правиш заключения от косвени измервания, докато микроскопите ти не станат достатъчно добри. "
Това, което Рамирес, който вече е на 26 години и Лю, на 36 години, успяха да видят и контролират, са трептящите клъстери от неврони, известни като енграми, където се съхраняват индивидуални спомени. Обединявайки силите си в края на 2010 г., няколко месеца след като Рамирес започва дипломната си работа в MIT, двамата мъже измислят сложен нов метод за изследване на живите мозъци в действие, система, която съчетава класическата молекулярна биология и нововъзникващото поле на оптогенетиката, в което лазерите са разположени, за да стимулират генетично проектирани клетки, за да бъдат чувствителни към светлина.
Въоръжени с най-съвременни инструменти и подкрепени от Суту Тонегава, MIT Susumu Tonegawa, нобелов лауреат за работата си в имунологията, в чиято лаборатория са били част, Рамирес и Лю предприеха търсене, което доведе до две забележителни проучвания, публикувани 16 месеца освен, гръб отзад към блясък, които разшириха нашето разбиране на паметта на клетъчно ниво. Рамирес описва откритията, тъй като прави почти всичко, с огромна сила: „Първата хартия беше като улавяне на мълния в бутилка, а втората - като светкавица, ударила едно и също място два пъти.“
Първоначално: Как Рамирес и Лию са създали фалшив спомен в лабораторна мишка. (5W Инфографика) В първото проучване, публикувано в Nature през март 2012 г., Рамирес и Лю идентифицираха, маркираха и след това отново активираха малък клетъчен блок, кодиращ страха на мишката, в случая спомен от среда, в която мишката е получила удар от крак. Подвигът дава сериозни доказателства за дългогодишната теория, че спомените са кодирани в схеми. Повечето предишни опити включваха проследяване на химическата или електрическата активност на мозъчните клетки по време на формирането на паметта. Рамирес и Лю отхвърлиха тези методи като твърде неточни. Вместо това те сглобиха персонализиран набор от техники за превръщане на мозъчните клетки на мишката в целевата им област (част от хипокампуса, наречена зъбен вирус), чувствителна към светлина.
Работейки със специализирана порода генно-инженерни лабораторни мишки, екипът инжектира зъбния зъб с биохимичен коктейл, който включва ген за светлочувствителен протеин, каналродопсин-2. Активните зъбни клетки на зъби - тези, които участват във формирането на паметта - биха продуцирали протеина, като по този начин сами стават светлочувствителни. Идеята беше, че след като паметта е кодирана, тя може да се активира отново чрез затваряне на тези клетки с лазер.
За да направят това, Рамирес и Лю хирургично имплантирали тънки нишки от лазера през черепите на мишките и в зъбната обвивка. Реактивирането на паметта и свързаната с нея реакция на страх беше единственият начин да се докаже, че действително са идентифицирали и обозначили енграма. Изследователите пожертвали животните след експеримента и изследвали мозъчните тъкани под микроскоп, за да потвърдят съществуването на енграмите; клетките, участващи в специфична памет, светиха зелено след третиране с химикали, които реагираха с каналродопсин-2.
Когато Рамирес и Лю погледнаха лекуваните неврони през микроскоп, „беше като звездна нощ“, казва Лю, „където можете да видите отделни звезди.“ Въпреки че тези активни клетки са само една част от широко разпространената ензимна шокова стъпка, реактивирането им беше достатъчно, за да предизвика реакция на страх.
Следващата стъпка беше да се манипулира конкретна енграма, за да се създаде фалшива памет, елегантен експеримент, подробно описан във втория документ на Рамирес и Лю, публикуван в Science през юли 2013 г. Те приготвиха мишката, инжектирайки биохимичния коктейл в зъбната обвивка. След това поставят мишката в кутия, без да я шокират. Докато животното прекара 12 минути в изследване, спомен от това доброкачествено преживяване беше кодиран като енграма. На следващия ден мишката е поставена в различна кутия, където паметта й на първата (безопасна) кутия е била задействана чрез стрелба с лазера в зъбната обвивка. В този точен момент мишката получи шок за крак. На третия ден мишката беше върната в сейфа - и веднага замръзна от страх. Никога не е получавал шок от крак там, но фалшивата му памет, създадена от изследователите в друга кутия, е карала да се държи така, сякаш е имал.
Нямаше шанс мишката да е сбъркала една кутия за друга: Те бяха с различни форми и цветове и имаха различни аромати. Рамирес и Лю също използваха множество контролни групи - изключвайки възможността светкавицата на самия лазер, а не активирането на енграмата да предизвика страхова реакция на следващия ден, например. Те наистина бяха създали спомен.
***
Съобщението породи ярост на новинарските медии. „Учените проследяват спомени от неща, които никога не са се случвали“, прочете заглавието в „ Ню Йорк Таймс“ . Рамирес и Лю се събудиха посред нощ, за да правят интервюта на живо по европейското радио. Родителите на Лиу, обратно в Китай, прочетоха за неговите постижения онлайн. Общественото очарование от ролята на фалшивата памет в криминални процеси (високият тъмнокос бандитски грабител, който очевидците видяха всъщност беше кратък и плешив), помогна за раздвижването на историята. Но без съмнение свръхтоновете на научната фантастика го направиха особено завладяващо. За мнозина изглежда се потвърждаваха познати (и плашещи) идеи от филми като Inception и Eternal Sunshine of the Spotless Mind . Нищо не е както изглежда; реалността е само мечта; на кого ще се доверите, на мен или на вашите лъжливи очи?
За невролозите откритието на Рамирес и Лю беше направо поразително. „За мен това, което ги направи успешни, беше тяхната безстрашие“, казва Джоселин. „Бихте могли да си представите всички неща, които могат да се объркат, но тези момчета влязоха там, получиха най-добрите инструменти, приложиха най-добрия вид сила на ума.“ Айхенбаум се съгласява, че младите учени излязоха „на крайник“ и взеха основен риск от кариерата им. „Те можеха да изкарат три години и в крайна сметка нямаше какво да покажат за това“, казва той.
Прекарайте малко време около Рамирес и Лю и вие бързо усещате тяхното настроение. Те идват от различни светове - Лю е роден и израснал в Шанхай, син на баща на химическия инженер и майка, която е работила за железопътната линия, а родителите на Рамирес избягаха от гражданската война в Ел Салвадор през 80-те и се установяват в Еверет, Масачузетс - но добре съчетаните им личности не са случайни. През есента на 2010 г., докато Лю бе интервюирал потенциални партньори, за да проучи мистериите на паметта с него, той отначало се съсредоточи върху научната експертиза. Но с течение на времето той постави различен атрибут в горната част на своя списък с желания - щастие. "Ако ще си сътрудничите с хора, искате да си сътрудничите с щастливи хора", казва Лю. „И Стив е едно от най-щастливите момчета, които съм виждал.“ Той също е бързич, който вмъква цял куп думи на всеки дъх. „Не може да спре да говори“, шегува се Лю. "В противен случай той ще умре."
***
Когато Рамирес беше малък, той често ходеше в лабораторията за локомоции за животни в Харвард заедно с баща си, който започваше да почиства клетки и да почиства подове, а по-късно става главен техник за животни. По време на посещенията в лабораторията Рамирес видя лами, щрауси и други същества, както и „хората да правят готини неща с животни, да правят измервания и други неща“. Той смята, че „по невнимание е погълнал нещо“, което му е помогнало да се насочи към науката.
Но мозъкът затвори сделката. „Независимо дали ставаше дума за сонет или завеждането на някого на Луната или измислянето на биологичните молекули на живота, всичко това беше продукт на мозъци, на нервна активност“, казва Рамирес, описвайки как широките му интереси - в Шекспир, инженерство, биология и други - най-накрая го доведоха до невронауката. „Защо да не изучим това, което е създало всичко?“
Лю също демонстрира научно огъване в началото на живота си. И макар той със сигурност да не е първият учен, прекарал детството си в събиране на бъгове, всеотдайността на Лиу беше отличителна. Той отглеждаше семейства стоножки, имаше много лъскави бръмбари и държаше скакалци в мънички клетки. Обикновено хранел скакалците едаме, но открил, че лютите чушки предизвикват интересна реакция. „Те ще пеят още повече“, казва той. След като изучава биология като студент в университета Фудан в Шанхай, Лиу получава докторска степен от Медицинския колеж Байлор, изучавайки паметта на плодовата муха.
Като юноша се е занимавал с научна фантастика и е написал роман, наречен „Предизвикателството“ . Ставаше дума за бъдеще, в което спортистите вече не се състезаваха директно един срещу друг, а по-скоро бяха подложени на различни обективни измервания на ефективността или физиологията: скорост, сила, капацитет на белите дробове и т.н. Героят иска да се върне към реалната конкуренция и да възстанови неизмеримите фактори за късмет и шанс.
Един ден тази изминала пролет, когато Лю изброяваше много неща, които биха могли да се объркат в работата му с Рамирес - можеха да бъдат бити до откритието от съпернически екип, можеха да избират грешната част от мозъка до нула в нататък - той каза, че е убеден, че късметът е изиграл роля за техния успех. Ако е така, казах, тогава работата му като възрастен беше предадена по темата на неговия момчешки роман. - Това е невероятно - каза той след дълго мълчание. „Никога не съм осъществявал тази връзка между книгата и тази творба, но мисля, че си прав.“
Повече от две дузини лаборатории по света имат проекти, които се основават на изследванията на Рамирес и Лю. Eichenbaum, например, се интересува от възпроизвеждане на по-голямо преживяване, памет, която се появява с течение на времето, като навигиране в лабиринт.
Във време, когато лечението на много сериозни психични заболявания липсва, потенциалните клинични приложения за промяна на паметта са примамливи. „Това е нещо лудо“, казва Джоселин, чиято работа се фокусира върху болестта на Алцхаймер и други заболявания, свързани с паметта, „но може би някой с болестта на Алцхаймер ... може би можем да измислим лечение, за да влезем и да направим това, което направиха тези момчета в своите документи и по някакъв начин да активират тези клетки изкуствено, да засилят активирането и да се припомнят по-добре спомените. “
В друго теоретично приложение, PTSD може да бъде облекчен чрез многократно активиране на лоша памет, за да се покаже, че самата памет не е вредна, или чрез изтриване на травматичните компоненти на конкретна лоша памет, или чрез замяната й с положителна. Въз основа на работата на Рамирес и Лю, други в лабораторията в Тонегава направиха точно това при мъжки мишки по-рано тази година, превръщайки отрицателния спомен от шок от крак в положителен спомен за среща с женска мишка.
Рамирес, който завършва докторантурата си в MIT, и Лиу, който се насочва към Северозападния университет, за да започне своя собствена лаборатория, наскоро се заеха с друг въпрос на голяма памет: Можем ли да се намесим в депресивно състояние в животно, като активираме положителни спомени? Изглежда отговорът е да. Те изучават миши модели на анхедония или загуба на интерес към удоволствието, симптом на депресия. Експерименталните мишки, подложени на стрес, докато вече не търсят удоволствие (като глътка захарна вода), възстановяват интереса си, когато се активират отново програми за приятни преживявания. Досега успехът е 80 процента.
„Тъй като принципното доказателство е, че можем изкуствено да активираме спомените и да създаваме фалшиви спомени у животните“, казва Рамирес, „единственият скок, останал между тях и хората, е само технологичните иновации.“
Какво ще кажете за етичните проблеми на манипулирането на паметта? Патриша Чърчланд, професор в UC San Diego и автор на Touching a Nerve: Аз като мозък, казва, че терапията от този вид няма да бъде толкова дълбока промяна, колкото изглежда. Човешките спомени, неточни и лабилни за начало, отдавна са цел на интервенцията, от когнитивно-поведенческа терапия до електрошок до лекарства. Лечението на състояния като депресия на ниво енграма „е непрекъснато с това, което вече правим“, казва Чърчланд, водещ философ на невронауката.
Рамирес вярва, че операцията с памет е неизбежна, въпреки че има много въпроси, на които трябва да се обърнем внимание. Как може да се направи безопасно? Неинвазивно? Етично? Как ще бъдат избрани пациентите? Колкото и болезнено да е обикновено сърцето, повечето от нас също признават, че това е естествена, дори здравословна част от живота. Момче от гимназията, което току-що се раздели с приятелката си, може да не е добър кандидат за операция на паметта. Но хората с деменция или тежка депресия - би било нечовешко да не облекчават страданията си, ако е възможна ефективна, безопасна намеса на паметта?
Намеките, които Рамирес и Лю са превърнали в механиката на паметта, отварят широк нов свят от възможности, които са дълбоки, плашещи, удивителни - и спешни. „Вчера трябва да започнем разговора за това какво ще правим, когато това се случи“, казва Рамирес, „така че да сме готови и да знаем как да се справим.“
