Πώς ο εγκέφαλος αποφασίζει τι θα θυμάται και τι θα ξεχνάει

Κάθε μέρα, ο εγκέφαλος μετατρέπει τις εμπειρίες σε ανθεκτικές αναμνήσεις που θεμελιώνουν την ταυτότητά μας και διαμορφώνουν τον τρόπο με τον οποίο πορευόμαστε στον κόσμο.

Αλλά πώς αποφασίζει ποια πληροφορία αξίζει να διατηρηθεί και για πόσο;

Νέα ευρήματα δείχνουν ότι η μακροπρόθεσμη μνήμη σχηματίζεται μέσω μιας «καταρρακτώδους» ακολουθίας μοριακών χρονοδιακοπτών που ανοιγοκλείνουν σε πολλαπλές περιοχές του εγκεφάλου.

Στο πλαίσιο της μελέτης και χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο συμπεριφοράς βασισμένο σε εικονική πραγματικότητα σε ποντίκια, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τη μακροχρόνια μνήμη ενορχηστρώνουν ρυθμιστές οι οποίοι είτε προάγουν τις αναμνήσεις σε ολοένα πιο σταθερές μορφές είτε τις υποβιβάζουν μέχρι να ξεχαστούν.

Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στην επιστημονική επιθεώρηση Nature, αναδεικνύουν τους ρόλους πολλών εγκεφαλικών περιοχών στην προοδευτική αναδιοργάνωση των αναμνήσεων σε πιο ανθεκτικές μορφές, με ενδιάμεσες «πύλες» που αξιολογούν τη σημασία τους και ενισχύουν τη διάρκειά τους.

«Πρόκειται για μια καίρια αποκάλυψη, διότι εξηγεί πώς προσαρμόζουμε τη διάρκεια των αναμνήσεων», λέει η Priya Rajasethupathy, επικεφαλής του Skoler Horbach Family Laboratory of Neural Dynamics and Cognition. «Αυτό που επιλέγουμε να θυμόμαστε είναι μια συνεχώς εξελισσόμενη διαδικασία και όχι μια στιγμιαία ενεργοποίηση ενός διακόπτη».

Γιατί κάποιες μνήμες μένουν και άλλες διαγράφονται

Για δεκαετίες, η έρευνα για τη μνήμη επικεντρωνόταν σε δύο περιοχές του εγκεφάλου, τον ιππόκαμπο, όπου σχηματίζεται η βραχυπρόθεσμη μνήμη, και τον φλοιό, όπου θεωρούνταν ότι αποθηκεύονται οι μακροπρόθεσμες μνήμες, σαν να βρίσκονταν πίσω από βιολογικούς διακόπτες ενεργοποίηση και απενεργοποίησης.

«Τα υπάρχοντα μοντέλα μνήμης περιλάμβαναν μόρια που λειτουργούν σαν τρανζίστορ, ως διακόπτες on/off», σημειώνει η Rajasethupathy.

Με βάση αυτό το μοντέλο, αν μια βραχυπρόθεσμη μνήμη «σημειωνόταν» για μακροπρόθεσμη αποθήκευση, θα παρέμενε εκεί επ’ αόριστον. Ωστόσο, το μοντέλο δεν εξηγούσε γιατί κάποιες μνήμες διαρκούν εβδομάδες ενώ άλλες μια ολόκληρη ζωή.

Το 2023, η Rajasethupathy και οι συνεργάτες της δημοσίευσαν εργασία που εντόπισε ένα εγκεφαλικό μονοπάτι το οποίο συνδέει τη βραχυπρόθεσμη με τη μακροπρόθεσμη μνήμη.

Κεντρικό τμήμα αυτού του μονοπατιού είναι ο θάλαμος, που όχι μόνο επιλέγει ποιες μνήμες θα διατηρηθούν, αλλά και τις κατευθύνει στον φλοιό για σταθεροποίηση.

Τα ευρήματα άνοιξαν τον δρόμο για ακόμη πιο θεμελιώδη ερωτήματα: Τι συμβαίνει στις μνήμες μετά την αρχική τους αποθήκευση στον ιππόκαμπο; Και ποιοι μοριακοί μηχανισμοί προάγουν σημαντικές μνήμες προς τον φλοιό ενώ υποβαθμίζουν τις λιγότερο σημαντικές σε λήθη;

Για να απαντήσει, η ομάδα ανέπτυξε ένα μοντέλο συμπεριφοράς με σύστημα εικονικής πραγματικότητας, στο οποίο τα ποντίκια σχημάτιζαν συγκεκριμένες μνήμες.

«Η Andrea Terceros δημιούργησε ένα κομψό μοντέλο που μας επέτρεψε να ανοίξουμε το πρόβλημα με νέο τρόπο», λέει η Rajasethupathy. «Με τη διαφοροποίηση της συχνότητας επαναλήψεων, μπορέσαμε να κάνουμε τα ποντίκια να θυμούνται κάποια πράγματα καλύτερα από άλλα και έπειτα να εξετάσουμε τον εγκέφαλο για τους μηχανισμούς που σχετίζονται με την επιμονή της μνήμης».

Η συσχέτιση όμως δεν ήταν αρκετή. Για να αποδείξει την αιτιολογική σχέση, η Celine Chen ανέπτυξε μια πλατφόρμα CRISPR για χειρισμό γονιδίων στον θάλαμο και τον φλοιό. Με αυτή τούς δόθηκε η δυνατότητα να δείξουν ότι η αφαίρεση συγκεκριμένων μορίων επηρέαζε τη διάρκεια της μνήμης και ότι κάθε μόριο ενεργούσε σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες.

Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η μακροπρόθεσμη μνήμη δεν διατηρείται από έναν και μοναδικό μοριακό διακόπτη, αλλά από μια ακολουθία γονιδιακών προγραμμάτων που ξεδιπλώνονται με τον χρόνο και σε διαφορετικές εγκεφαλικές περιοχές σαν μια σειρά μοριακών χρονοδιακοπτών.

Οι πρώτοι χρονοδιακόπτες ενεργοποιούνται γρήγορα και εξασθενούν το ίδιο γρήγορα, επιτρέποντας την ταχεία λήθη. Οι επόμενοι δρουν πιο αργά αλλά παράγουν πιο ανθεκτικές μνήμες.

Αυτή η σταδιακή διαδικασία επιτρέπει στον εγκέφαλο να προάγει σημαντικές εμπειρίες προς μακροπρόθεσμη αποθήκευση, ενώ άλλες σβήνουν.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη συχνότητα επανάληψης ως δείκτη σημασίας, συγκρίνοντας μνήμες από συχνά επαναλαμβανόμενα περιβάλλοντα με μνήμες από λιγότερο συχνές εμπειρίες.

Εντόπισαν τρεις ρυθμιστές μεταγραφής: Camta1 και Tcf4 στον θάλαμο, και Ash1l στον πρόσθιο προσαγωγό φλοιό.

Αυτοί δεν είναι απαραίτητοι για τον αρχικό σχηματισμό της μνήμης, αλλά είναι κρίσιμοι για τη διατήρησή της. Η διατάραξη των Camta1 και Tcf4 αποδυνάμωσε τις λειτουργικές συνδέσεις μεταξύ θαλάμου και φλοιού, οδηγώντας σε απώλεια μνήμης.

Το μοντέλο υποστηρίζει ότι, μετά τον αρχικό σχηματισμό της μνήμης στον ιππόκαμπο, το Camta1 και οι στόχοι του εξασφαλίζουν την πρώιμη διατήρηση. Στη συνέχεια, το Tcf4 και οι στόχοι του ενεργοποιούνται, παρέχοντας κυτταρική πρόσδεση και δομική υποστήριξη. Τέλος, το Ash1l επιστρατεύει προγράμματα χρωματίνης που καθιστούν τη μνήμη ακόμη πιο επίμονη.

«Αν μια μνήμη δεν προαχθεί σε αυτούς τους χρονοδιακόπτες, θεωρούμε ότι είναι προορισμένη να ξεχαστεί γρήγορα», λέει η Rajasethupathy.

Ενδιαφέρον παρουσιάζει ότι το Ash1l ανήκει σε οικογένεια πρωτεϊνών (ιστονικών μεθυλοτρανσφερασών) που διατηρούν μνήμη και σε άλλα βιολογικά συστήματα.

«Στο ανοσοποιητικό, βοηθούν το σώμα να θυμάται προηγούμενες λοιμώξεις· στην ανάπτυξη, βοηθούν τα κύτταρα να θυμούνται την ταυτότητά τους», σημειώνει. «Ο εγκέφαλος ίσως επαναχρησιμοποιεί αυτές τις καθολικές μορφές κυτταρικής μνήμης για να υποστηρίξει γνωστικές μνήμες».

Τα ευρήματα ενδέχεται να έχουν σημασία για ασθένειες που σχετίζονται με τη μνήμη. Η Rajasethupathy υποθέτει ότι εντοπίζοντας τα γονιδιακά προγράμματα που διατηρούν μια μνήμη, οι επιστήμονες μπορεί να βρουν τρόπους να την καθοδηγήσουν μέσω εναλλακτικών κυκλωμάτων, παρακάμπτοντας κατεστραμμένες περιοχές στον εγκέφαλο ασθενών με νόσο Αλτσχάιμερ.

«Αν γνωρίζουμε τις δευτερεύουσες και τριτεύουσες περιοχές που είναι κρίσιμες για τη σταθεροποίηση της μνήμης και η πρωτογενής περιοχή έχει καταστραφεί, ίσως μπορέσουμε να παρακάμψουμε τη βλάβη», λέει.

Τα επόμενα βήματα της ομάδας θα επικεντρωθούν στο τι ενεργοποιεί αυτούς τους μοριακούς χρονοδιακόπτες και τι καθορίζει τη διάρκειά τους. Με άλλα λόγια, τι λέει στον εγκέφαλο πόσο σημαντική είναι μια μνήμη και πόσο πρέπει να διαρκέσει. Το εργαστήριο της Rajasethupathy εστιάζει στον ρόλο του θαλάμου ως κρίσιμου κόμβου λήψης αποφάσεων.

«Μας ενδιαφέρει να κατανοήσουμε τη “ζωή” μιας μνήμης πέρα από τον αρχικό σχηματισμό της στον ιππόκαμπο», καταλήγει. «Πιστεύουμε ότι ο θάλαμος και τα παράλληλα κανάλια επικοινωνίας του με τον φλοιό είναι κεντρικά σε αυτή τη διαδικασία».