Bertemu dengan Dua Ahli Saintis Yang Diimplan Memori Salah ke dalam Tetikus

Ia adalah hari sebelum Krismas, dan makmal MIT yang biasa sibuk di Vassar Street di Cambridge adalah tenang. Tetapi makhluk-makhluk itu pasti kacau, termasuk tikus yang akan menjadi terkenal di dunia.

Reads yang berkaitan

Moonwalking Dengan Einstein: The Art and Science of Remembering Everything

Beli

Kandungan Terkait

• Implan Brain Dapat Mampu Mengejutkan Kenangan Rusak Kembali Ke Bentuk

Steve Ramirez, pelajar doktoral berusia 24 tahun pada masa itu, meletakkan tetikus di dalam kotak logam kecil dengan lantai plastik hitam. Sebaliknya dengan mengasyikkan mengendus di sekelilingnya, haiwan itu dengan serta-merta membekukan keganasan, mengingat pengalaman menerima kejutan kaki di kotak yang sama. Ia adalah tindak balas ketakutan buku teks, dan jika apa-apa, postur tikus lebih tegar daripada Ramirez yang diharapkan. Ingatan tentang trauma sememangnya cukup jelas.

Yang mengagumkan, kerana memori itu palsu: Tikus tidak pernah menerima kejutan elektrik di dalam kotak itu. Sebaliknya, ia bertindak balas terhadap memori palsu bahawa Ramirez dan rakannya MIT Xu Liu telah menanam di otaknya.

"Merry Freaking Christmas, " membaca baris subjek e-mel Ramirez yang ditembak ke Liu, yang menghabiskan percutian 2012 di Taman Negara Yosemite.

Pemerhatian ini memunculkan lebih daripada dua tahun usaha penyelidikan jangka panjang dan menyokong hipotesis yang luar biasa: Bukan sahaja mungkin untuk mengenal pasti sel-sel otak yang terlibat dalam pengekodan memori tunggal, tetapi sel-sel tertentu dapat dimanipulasi untuk membuat keseluruhan baru "Ingatan" peristiwa yang tidak pernah berlaku.

"Ini adalah prestasi hebat, " kata Howard Eichenbaum, penyelidik memori terkemuka dan pengarah Pusat Neurosains di Boston University, di mana Ramirez melakukan kerja sarjana. "Ini adalah satu kejayaan yang nyata yang menunjukkan kekuatan teknik ini untuk menangani soalan-soalan mendasar tentang bagaimana otak berfungsi."

Dalam satu kejayaan neurosains, kedua-dua mereka menanam memori palsu dalam tetikus

Prospek tinkering dengan tepat dengan ingatan telah menggoda para saintis selama bertahun-tahun. "Banyak orang telah berfikir bersama-sama dengan ini, " kata Sheena Josselyn, seorang pakar saraf senior di Hospital untuk Kanak-kanak Sakit di Toronto, yang mengkaji daya ingatan selular, "tetapi mereka tidak pernah bermimpi bahawa percubaan ini sebenarnya akan berfungsi. Tiada siapa yang menganggap bahawa anda sebenarnya, benar-benar melakukan ini. "

Kecuali Ramirez dan Liu. Kerja mereka telah melancarkan era baru dalam penyelidikan ingatan dan pada suatu hari boleh membawa kepada rawatan baru untuk penderitaan perubatan dan psikiatri seperti kemurungan, gangguan tekanan selepas trauma dan penyakit Alzheimer. "Langit benar-benar had sekarang, " kata Josselyn.

Walaupun kerja sejauh ini telah dilakukan pada tikus makmal, penemuan kedua-duanya membuka garis pemikiran yang lebih dalam kepada sifat manusia. Sekiranya kenangan dapat dimanipulasikan mengikut kehendak, apakah maksudnya untuk mempunyai masa lalu? Sekiranya kita dapat memadamkan ingatan yang tidak baik, atau membuat yang baik, bagaimanakah kita dapat mengembangkan perasaan sebenar? "Memori adalah identiti, " pengarang British Julian Barnes menulis di dalam memoirnya Apa-apa yang Tidak Dapat Ketinggalan. "Kamu adalah apa yang kamu telah lakukan; apa yang telah anda lakukan adalah dalam ingatan anda; apa yang anda ingat akan menentukan siapa anda. "

***

Para saintis bertanya: Bolehkah kita campur tangan dalam keadaan tertekan dengan mengaktifkan kembali kenangan positif? (Irvin Serrano) Sekitar 5 peratus daripada satu juta gyrus sel berjuta-juta adalah aktif apabila tetikus menyandi memori tempat. Di sini, sel aktif berwarna merah jambu dan oren. (Xu Liu dan Steve Ramirez) Dalam pandangan otak tetikus ini, sel-sel yang boleh dikawal oleh Steve Ramirez dan Xu Liu dengan cahaya kelihatan merah. Sel-sel aktif lain berada dalam keadaan hijau. (Steve Ramirez dan Xu Liu) Sel-sel yang aktif semasa memori tunggal sering berbeza dalam aktiviti gen mereka, merah berbanding hijau. Memahami perbezaan dapat meningkatkan keberkesanan manipulasi ingatan. (Steve Ramirez dan Xu Liu) Sel dalam otak tetikus dilabel mengikut umur mereka dalam imej ini. Sel-sel yang lebih muda dari tiga minggu, merah, hampir tidak aktif semasa pembentukan memori. (Steve Ramirez dan Xu Liu)

"Saya sentiasa kagum dengan tahap kawalan yang boleh diperoleh sains di seluruh dunia, " kata Ramirez, yang mengumpul batu sebagai seorang kanak-kanak dan mengingati terkejut bahawa sebenarnya ada cara untuk memikirkan berapa batu lama. "Contohnya adalah seperti biasa sekarang, " katanya, "tetapi sebagai spesies kita meletakkan seseorang di bulan. Dan kami tahu sebahagian besar cara untuk membasmi perkara-perkara seperti cacar, perkara yang tidak dapat anda lihat, yang kewujudannya anda perlu membuat pengukuran tidak langsung, sehingga mikroskop anda cukup baik. "

Apa yang Ramirez, kini 26, dan Liu, 36, dapat melihat dan mengawalnya adalah kelompok-kelompok neuron yang berkilau, yang dikenali sebagai engrams, di mana kenangan individu disimpan. Bergabung dengan pasukan pada akhir 2010, beberapa bulan selepas Ramirez memulakan kerja lepasan di MIT, kedua-dua lelaki mencipta kaedah baru untuk meneroka otak hidup dalam tindakan, sebuah sistem yang menggabungkan biologi molekul klasik dan bidang optogenetik yang baru muncul, di mana laser digunakan untuk merangsang sel-sel yang direka oleh genetik untuk sensitif kepada cahaya.

Bersenjata dengan alat-alat canggih, dan disokong oleh Susumu Tonegawa, Pemenang Nobel untuk kerja-kerja imunologi yang makmal mereka adalah sebahagian daripada, Ramirez dan Liu memulakan usaha yang menghasilkan dua kajian penting yang diterbitkan 16 bulan selain itu, letupan belakang kecemerlangan yang menguatkan pemahaman kita tentang memori di peringkat selular. Ramirez menggambarkan penemuan itu, kerana dia melakukan hampir semua, dengan penuh kegembiraan: "Kertas pertama adalah seperti menangkap kilat dalam botol, dan kertas kedua seperti kilat yang mencolok tempat yang sama dua kali."

Permulaan: Bagaimana Ramirez dan Lieu mencipta memori palsu dalam tikus makmal. (5W Infographics)

Dalam kajian pertama, yang diterbitkan di Alam pada bulan Mac 2012, Ramirez dan Liu mengenal pasti, dilabelkan dan kemudian diaktifkan semula sekumpulan sel kecil yang mengekodkan memori ketakutan tikus, dalam hal ini ingatan persekitaran di mana tetikus telah mendapat kejutan kaki. Pencapaian ini memberikan bukti yang kuat untuk teori lama yang memegang kenangan dikodkan dalam engrams. Kebanyakan percubaan terdahulu melibatkan mengesan sama ada kimia atau aktiviti elektrik sel-sel otak semasa pembentukan memori. Ramirez dan Liu menolak kaedah tersebut sebagai terlalu tidak tepat. Sebaliknya, mereka memasang satu set teknik yang disesuaikan untuk menjadikan sel-sel otak tetikus di kawasan sasaran mereka (sebahagian daripada hippocampus yang disebut dentate gyrus) yang sensitif kepada cahaya.

Bekerja dengan tikus makmal yang direka secara genetik, pasukan menyuntik gyrus dentata dengan koktail biokimia yang merangkumi gen untuk protein sensitif cahaya, channelrhodopsin-2. Sel-sel gyrus dentate yang aktif-yang mengambil bahagian dalam pembentukan memori-akan menghasilkan protein, sehingga menjadi sensitif kepada diri sendiri. Idea ini adalah bahawa selepas ingatan telah dikodkan, ia dapat diaktifkan semula dengan menanggalkan sel-sel dengan laser.

Untuk melakukan itu, Ramirez dan Liu menjalani pembedahan filamen tipis dari laser melalui tengkorak tikus dan ke gyrus dentate. Mengaktifkan semula memori-dan tindak balas ketakutan yang berkaitan-adalah satu-satunya cara untuk membuktikan mereka telah mengenal pasti dan melabelkan engram. Penyelidik mengorbankan haiwan selepas percubaan dan memeriksa tisu otak di bawah mikroskop untuk mengesahkan kewujudan engrams; sel-sel yang terlibat dalam ingatan spesifik berwarna hijau selepas rawatan dengan bahan kimia yang bertindak balas dengan channelrhodopsin-2.

Apabila Ramirez dan Liu melihat neuron yang dirawat melalui mikroskop, "ia seperti malam berbintang, " kata Liu, "di mana anda dapat melihat bintang individu." Walaupun sel-sel aktif ini hanya satu bahagian dari kejutan engram kejutan, mengaktifkan semula mereka sudah cukup untuk mencetuskan tindak balas ketakutan.

Langkah seterusnya adalah untuk memanipulasi engram khusus untuk membuat ingatan palsu, percubaan elegan terperinci dalam kertas kedua Ramirez dan Liu, diterbitkan dalam Sains pada bulan Julai 2013. Mereka menyediakan tetikus, menyuntikkan koktail biokimia ke dalam gyrus dentata. Seterusnya, mereka meletakkan tetikus dalam kotak tanpa mengejutkannya. Sebagai haiwan yang menghabiskan 12 minit meneroka, ingatan pengalaman jinak ini dikodkan sebagai engram. Hari berikutnya, tetikus diletakkan di dalam kotak yang berbeza, di mana ingatan kotak pertama (selamat) dicetuskan dengan menangkap laser ke dalam gyrus dentate. Pada masa yang sama, tetikus itu mendapat kejutan kaki. Pada hari ketiga, tikus itu dikembalikan ke kotak selamat-dan dengan segera membekukan ketakutan. Ia tidak pernah mendapat kejutan kaki di sana, tetapi ingatan palsu yang dicipta oleh para penyelidik di dalam kotak lain, menyebabkan ia berkelakuan seolah-olah ia telah.

Tidak ada peluang bahawa tetikus itu boleh salah satu kotak untuk yang lain: Mereka bentuk dan warna yang berbeza dan mempunyai aroma yang berbeza. Ramirez dan Liu juga menggunakan pelbagai kumpulan kawalan-memutuskan kemungkinan bahawa denyar laser itu sendiri dan bukan pengaktifan engram menyebabkan reaksi ketakutan pada hari berikutnya, sebagai contoh. Mereka sememangnya telah membuat ingatan.

***

Pengumuman ini menghasilkan kegilaan media berita. "Para saintis mengamati kenangan perkara yang tidak pernah berlaku, " membaca tajuk utama di New York Times . Ramirez dan Liu bangun di tengah malam untuk melakukan wawancara secara langsung di radio Eropah. Ibu bapa Liu, kembali ke China, membaca tentang pencapaiannya dalam talian. Ketertarikan umum dengan peranan memori palsu dalam percubaan kriminal (perompak bank berambut perang yang tinggi, saksi mata yang sebenarnya sebenarnya pendek dan botak) membantu memandu cerita. Tetapi tidak syak lagi, fiksi sains fiksyen menjadikannya sangat menarik. Kepada ramai, ia seolah-olah mengesahkan idea-idea yang biasa (dan menakutkan) dari filem seperti Inception dan Sunshine Eternal of the Spotless Mind . Tiada apa yang kelihatan; realiti hanyalah mimpi; siapa yang anda percayai, saya atau mata berbohong anda?

Untuk ahli sains neuros, penemuan Ramirez dan Liu adalah benar-benar hebat. "Bagi saya, apa yang membuat mereka berjaya adalah keberanian mereka, " kata Josselyn. "Anda boleh membayangkan semua perkara yang boleh menjadi salah, tetapi orang-orang ini pergi ke sana, mereka mendapat alat yang terbaik, mereka menggunakan kuasa minda yang terbaik." Eichenbaum bersetuju bahawa para saintis muda itu "keluar dari badan" dan mengambil risiko besar dengan kerjaya mereka. "Mereka boleh menghabiskan masa tiga tahun dan tidak ada apa-apa untuk menunjukkannya, " katanya.

Luangkan sedikit masa di sekitar Ramirez dan Liu, dan anda dengan cepat merasakan sikap positif mereka. Mereka datang dari dunia yang berbeza-Liu dilahirkan dan dibesarkan di Shanghai, anak lelaki seorang jurutera kimia bapa dan seorang ibu yang bekerja untuk kereta api, dan ibu bapa Ramirez melarikan diri perang saudara di El Salvador pada tahun 1980-an dan menetap di Everett, Massachusetts- tetapi personaliti yang dipadankan dengan baik mereka tidak ada kemalangan. Pada musim gugur tahun 2010, ketika Liu sedang menemuramah rakan kongsi yang berpotensi untuk meneroka misteri-misteri ingatan dengannya, dia pada mulanya tertumpu pada kepakaran saintifik. Tetapi seiring berlalunya masa, dia meletakkan atribut yang berbeza di bahagian atas hasratnya-kebahagiaan. "Jika anda akan bekerjasama dengan orang ramai, anda mahu bekerjasama dengan orang yang bahagia, " kata Liu. "Dan Steve adalah salah satu daripada orang yang paling gembira yang pernah saya lihat." Dia juga seorang pembicara kelajuan yang merasakan banyak perkataan dalam setiap nafas. "Dia tidak boleh berhenti bercakap, " Liu bercanda. "Jika tidak, dia akan mati."

***

Apabila Ramirez masih muda, dia sering pergi ke makmal pergerakan haiwan Harvard bersama ayahnya, yang memulakan pembersihan sangkar di sana dan menyapu lantai dan kemudiannya menjadi juruteknik hewan kepala. Semasa lawatan ke makmal Ramirez melihat llamas, burung unta dan makhluk lain, dan "orang yang melakukan perkara-perkara yang sejuk dengan haiwan, mengambil ukuran dan barangan." Dia menggambarkan dia "tidak sengaja menyerap sesuatu" yang membantu mendorongnya ke sains.

Tetapi ia adalah otak yang menutup perjanjian itu. "Sama ada ia adalah sonnet, atau mendapatkan seseorang untuk bulan atau memikirkan molekul hidup biologi, semuanya adalah hasil otak, aktiviti saraf, " kata Ramirez, menerangkan bagaimana kepentingannya yang luas-dalam Shakespeare, kejuruteraan, biologi dan lebih-akhirnya membawanya ke neurosains. "Kenapa tidak belajar apa yang menghasilkan semuanya?"

Liu juga membuktikan bengkok sains awal hidup. Dan sementara dia pastinya bukan saintis pertama yang menghabiskan masa kecilnya mengumpul pepijat, dedikasi Liu itu tersendiri. Dia membesarkan keluarga lipan, mempunyai banyak kumbang berkilat, dan menyimpan belalang dalam sangkar kecil. Dia biasanya memberi makan edamame belalang tetapi mendapati bahawa lada panas menyebabkan reaksi yang menarik. "Mereka akan menyanyi lebih banyak, " katanya. Selepas belajar biologi sebagai mahasiswa di Fudan University di Shanghai, Liu menerima ijazah kedoktoran dari Baylor College of Medicine yang belajar ingatan dalam buah-buahan.

Sebagai seorang remaja, dia telah menguasai fiksyen sains dan menulis novel yang dipanggil The Challenge . Ia adalah tentang masa depan di mana atlet tidak lagi bersaing secara langsung terhadap satu sama lain tetapi, sebaliknya, diserahkan kepada pelbagai objektif atau prestasi fisiologi: kelajuan, kekuatan, kapasiti paru-paru dan sebagainya. Wira ingin kembali kepada persaingan sebenar dan memulihkan faktor yang tidak dapat dielakkan dari nasib dan peluang.

Pada suatu hari musim bunga yang lalu, kerana Liu menyenaraikan banyak perkara yang mungkin salah dalam kerjanya dengan Ramirez-mereka mungkin telah dipukul oleh penemuan oleh pasukan saingan, mereka dapat mengambil bahagian yang salah otak menjadi sifar dalam pada-dia berkata beliau yakin bahawa nasib telah memainkan peranan dalam kejayaan mereka. Kalau begitu, saya katakan, maka karyanya sebagai seorang dewasa telah disampaikan pada tema novelnya. "Itu luar biasa, " katanya selepas berdiam diri. "Saya tidak pernah membuat hubungan antara buku dan kerja ini, tetapi saya fikir anda betul."

Lebih dua dozen makmal di seluruh dunia mempunyai projek yang membina kajian Ramirez dan Liu. Sebagai contoh, Eichenbaum berminat untuk menghasilkan pengalaman yang lebih besar, memori yang berlaku dari masa ke masa, seperti menavigasi maze.

Pada masa rawatan untuk banyak penyakit mental yang serius kurang, aplikasi klinikal pengubahsuaian memori yang menarik. "Ini agak gila, " kata Josselyn, yang memusatkan perhatiannya pada penyakit Alzheimer dan gangguan memori yang lain, "tetapi mungkin seseorang dengan Alzheimer ... mungkin kita boleh memikirkan rawatan untuk masuk dan melakukan apa yang dilakukan oleh orang-orang ini di dalam kertas mereka, dan semacam mengaktifkan sel-sel ini secara artifisial, meningkatkan pengaktifan dan mempunyai kenangan yang teringat dengan lebih baik. "

Dalam aplikasi teoritis yang lain, PTSD mungkin akan dikurangkan dengan berulang kali mengaktifkan semula ingatan yang buruk untuk menunjukkan bahawa ingatan itu sendiri tidak berbahaya, atau dengan menghapuskan komponen traumatik memori buruk tertentu, atau dengan menggantikannya dengan yang positif. Membina karya Ramirez dan Liu, yang lain di makmal Tonegawa melakukan tepat pada tikus jantan pada awal tahun ini, mengubah ingatan negatif terhadap kejutan kaki ke ingatan positif tentang pertemuan dengan tikus betina.

Ramirez, yang menamatkan pengajian PhD di MIT, dan Liu, yang mengetuai Universiti Northwestern untuk memulakan makmalnya sendiri, baru-baru ini mengambil satu lagi soalan ingatan besar: Bolehkah kita campur tangan dalam keadaan tertekan dalam haiwan dengan mengaktifkan semula kenangan positif? Jawapannya nampaknya ya. Mereka sedang mengkaji model tetikus anhedonia, atau kehilangan minat dalam keseronokan, gejala kemurungan. Tikus percubaan tertekan sehingga mereka tidak lagi mencari kesenangan (seperti menghirup air gula) memulihkan minat mereka apabila menghidupkan kembali pengalaman yang menyenangkan. Kadar kejayaan setakat ini ialah 80 peratus.

"Oleh kerana bukti prinsipnya ada, kita boleh mengaktifkan kembali kenangan dan mencipta kenangan palsu pada haiwan, " kata Ramirez, "satu-satunya lompatan kiri di antara sana dan manusia hanyalah inovasi teknologi."

Bagaimana pula dengan keprihatinan etika tentang manipulasi ingatan? Patricia Churchland, seorang profesor di UC San Diego dan pengarang Menyentuh Saraf: Diri sebagai Otak, berkata terapi seperti ini tidak akan menjadi perubahan mendalam seperti yang dijangkakan. Kenangan manusia, tidak tepat dan labil bermula, sudah lama menjadi sasaran campur tangan, dari terapi tingkah laku kognitif untuk electroshock untuk ubat. Memperlakukan keadaan seperti kemurungan pada tahap engram "berterusan dengan apa yang telah kita lakukan, " kata Churchland, ahli falsafah neurosains terkemuka.

Ramirez percaya bahawa pembedahan ingatan tidak dapat dielakkan, walaupun terdapat banyak soalan untuk ditangani. Bagaimana ia boleh dilakukan dengan selamat? Bukan secara tidak sengaja? Secara etika? Bagaimana pesakit akan dipilih? Seperti yang menyakitkan hati seperti biasa, kebanyakan kita juga menyedari bahawa ia adalah kehidupan yang semula jadi, walaupun sihat. Seorang lelaki sekolah menengah yang baru berpisah dengan teman wanitanya mungkin tidak menjadi calon yang baik untuk pembedahan memori. Tetapi orang yang mengalami demensia atau kemurungan teruk-adakah ia tidak berperikemanusiaan untuk tidak meringankan penderitaan mereka jika campur tangan memori yang berkesan dan selamat mungkin?

Kemunculan Ramirez dan Liu yang dibuat ke dalam mekanik ingatan membuka peluang dunia baru yang luas yang sangat mendalam, menakutkan, menakjubkan-dan mendesak. "Kita perlu memulakan perbualan semalam tentang apa yang akan kita lakukan apabila ini berlaku, " kata Ramirez, "supaya kami siap dan tahu bagaimana untuk mengatasinya."