https://frosthead.com

Познакомьтесь с двумя учеными, которые внедрили ложную память в мышь

Это был день перед Рождеством, и в лаборатории МТИ на улице Вассар в Кембридже обычно было тихо. Но существа определенно волновались, включая мышь, которая скоро станет всемирно известной.

Связанные чтения

Preview thumbnail for video 'Moonwalking With Einstein: The Art and Science of Remembering Everything

Moonwalking с Эйнштейном: искусство и наука помнить все

купить

Связанный контент

  • Мозговые импланты могут шокировать поврежденные воспоминания обратно в форму

24-летний студент докторантуры Стив Рамирес поместил мышь в маленькую металлическую коробку с черным пластиковым полом. Вместо того, чтобы любопытно понюхать вокруг, животное мгновенно замерло в ужасе, вспоминая опыт удара ногой в той же коробке. Это был ответ страха из учебника, и если что-нибудь, поза мыши была более жесткой, чем ожидал Рамирес. Его память о травме, должно быть, была довольно яркой.

Это было удивительно, потому что память была поддельной: мышь никогда не получала удара током в этой коробке. Скорее, это было реакцией на ложное воспоминание, которое Рамирес и его коллега по Массачусетскому технологическому институту Сюй Лю внесли в его мозг.

«Счастливого Рождества», прочитайте тему письма Рамиреса, адресованного Лю, который проводил отпуск 2012 года в национальном парке Йосемити.

Наблюдение завершилось более чем двухлетней длительной исследовательской работой и подтвердило необычайную гипотезу: не только было возможно идентифицировать клетки мозга, участвующие в кодировании одной памяти, но и этими конкретными клетками можно было манипулировать, чтобы создать совершенно новый «Память» о событии, которое никогда не происходило.

«Это фантастический подвиг», - говорит Говард Айхенбаум, ведущий исследователь памяти и директор Центра неврологии в Бостонском университете, где Рамирес выполнял свою студенческую работу. «Это настоящий прорыв, который показывает силу этих методов для решения фундаментальных вопросов о том, как работает мозг».

В нейробиологическом прорыве дуэт внедрил ложную память мыши

Перспектива возиться именно с памятью мучила ученых в течение многих лет. «Многие люди думали в этом направлении, - говорит Шина Джосселин, старший нейробиолог из больницы для больных детей в Торонто, которая изучает клеточные основы памяти», - но они никогда не думали, что эти эксперименты действительно сработают. Никто никогда не думал, что ты действительно, действительно можешь это сделать.

За исключением Рамиреса и Лю. Их работа открыла новую эру в исследованиях памяти и может когда-нибудь привести к новым методам лечения медицинских и психических заболеваний, таких как депрессия, посттравматическое стрессовое расстройство и болезнь Альцгеймера. «Небо сейчас действительно предел», - говорит Джосселин.

Хотя до сих пор работа была проделана на лабораторных мышах, открытия дуэта открывают более глубокую линию мышления в человеческую природу. Если воспоминаниями можно манипулировать по желанию, что значит иметь прошлое? Если мы можем стереть плохую память или создать хорошую, как мы развиваем истинное чувство себя? «Память - это личность», - пишет британский писатель Джулиан Барнс в своих мемуарах «Ничего страшного». «Ты есть то, что ты сделал; то, что вы сделали, находится в вашей памяти; То, что вы помните, определяет, кто вы есть.

***

Ученые спрашивают: можем ли мы вмешиваться в депрессивном состоянии, восстанавливая позитивные воспоминания? (Ирвин Серрано) Приблизительно 5 процентов из миллиона клеток зубчатой ​​извилины активны, когда мышь кодирует память о месте. Здесь активными клетками являются розовый и оранжевый. (Сюй Лю и Стив Рамирес) На этом изображении мозга мыши клетки, которыми Стив Рамирес и Сюй Лю могут управлять с помощью света, выглядят красными. Другие активные клетки выделены зеленым цветом. (Стив Рамирес и Сюй Лю) Клетки, активные в течение одной памяти, часто отличаются по своей активности генов - красный и зеленый. Понимание различий может повысить эффективность манипулирования памятью. (Стив Рамирес и Сюй Лю) Клетки в мозге мыши обозначены в соответствии с их возрастом на этом изображении. Клетки моложе трех недель, красные, едва активны во время формирования памяти. (Стив Рамирес и Сюй Лю)

«Меня всегда удивлял уровень контроля, который наука может иметь над всем миром», - говорит Рамирес, который в детстве собирал камни и помнит, что был поражен, что на самом деле были способы выяснить, сколько им было лет. «Пример пока что банальный, - говорит он, - но как вид мы помещаем кого-то на луну. И мы выяснили, по большей части, как искоренить такие вещи, как оспа, вещи, которые вы не можете видеть, о существовании которых вы должны сделать выводы из косвенных измерений, пока ваши микроскопы не станут достаточно хорошими ».

Рамирез, которому сейчас 26 лет, и Лю, которому 36 лет, смогли увидеть и контролировать мерцающие скопления нейронов, известные как инграммы, где хранятся отдельные воспоминания. Объединив усилия в конце 2010 года, через несколько месяцев после того, как Рамирес начал свою дипломную работу в Массачусетском технологическом институте, они разработали новый тщательно разработанный метод исследования живого мозга в действии, систему, которая объединяет классическую молекулярную биологию и появляющуюся область оптогенетики, в которой лазеры развернуты для стимуляции клеток, генетически сконструированных, чтобы быть чувствительными к свету.

Вооруженный современными инструментами и поддержанный Сусуму Тонегава из Массачусетского технологического института, лауреатом Нобелевской премии в области иммунологии, в состав которого они вошли, Рамирес и Лю приступили к поиску, в результате которого были опубликованы два знаковых исследования, опубликованных за 16 месяцев. кроме того, взаимные вспышки блеска, которые продвинули наше понимание памяти на клеточном уровне. Рамирес описывает открытия, как он делает почти все, с изобилием: «Первая статья была как молния в бутылке, а вторая была как молния, ударяющая в одно и то же место дважды».

Infographic1.jpgInfographic2.jpgInfographic3.jpg Начало: Как Рамирес и Лиу создали ложную память в лабораторной мыши. (5W Инфографика)

В первом исследовании, опубликованном в журнале Nature в марте 2012 года, Рамирес и Лю определили, пометили, а затем активировали небольшой кластер клеток, кодирующих память страха мыши, в данном случае память об окружающей среде, где мышь получила удар ногой. Этот подвиг убедительно доказывает давнюю теорию о том, что воспоминания закодированы в инграммах. Большинство предыдущих попыток были связаны с отслеживанием химической или электрической активности клеток мозга во время формирования памяти. Рамирес и Лю отвергли эти методы как слишком неточные. Вместо этого они собрали индивидуальный набор методов, чтобы сделать клетки мозга мыши в своей целевой области (часть гиппокампа, называемой зубчатой ​​извилиной) чувствительной к свету.

Работая со специализированной породой генно-инженерных лабораторных мышей, команда вводила зубчатую извилину биохимическим коктейлем, в состав которого входил ген светочувствительного белка, каналродопсин-2. Активные зубчатые клетки извилины - те, которые участвуют в формировании памяти - будут производить белок, таким образом становясь чувствительными к свету сами. Идея заключалась в том, что после того, как память была закодирована, ее можно активировать, ударив эти клетки лазером.

Для этого Рамирез и Лю хирургически имплантировали тонкие нити из лазера через черепа мышей в зубчатую извилину. Реактивация памяти - и связанная с ней реакция страха - был единственным способом доказать, что они действительно идентифицировали и пометили инграмму. Исследователи приносили в жертву животных после эксперимента и исследовали ткани мозга под микроскопом, чтобы подтвердить существование инграмм; клетки, участвующие в специфической памяти, светились зеленым после обработки химическими веществами, которые реагировали с каналродопсином-2.

Когда Рамирес и Лю смотрели на обработанные нейроны через микроскоп, «это было похоже на звездную ночь», - говорит Лю, - «где вы можете видеть отдельные звезды». Хотя эти активные клетки были лишь одной из частей широко распространенной инграммы шокового удара стопы, их повторной активации было достаточно, чтобы вызвать реакцию страха.

Следующим шагом было манипулирование определенной инграммой для создания ложной памяти - элегантный эксперимент, подробно описанный во второй статье Рамиреса и Лю, опубликованной в журнале Science в июле 2013 года. Они подготовили мышь, вводя биохимический коктейль в зубчатую извилину. Затем они помещают мышь в коробку, не шокируя ее. Поскольку животное провело 12 минут, исследуя, память об этом доброкачественном опыте была закодирована как инграмма. На следующий день мышь поместили в другую коробку, где ее память о первой (безопасной) коробке была вызвана выстрелом лазера в зубчатую извилину. В этот момент мышь получила удар ногой. На третий день мышь вернули в сейф и сразу замерли от страха. Там он никогда не испытывал ударов ногой, но его ложная память, созданная исследователями в другой коробке, заставляла его вести себя так, как если бы он был.

Не было никаких шансов, что мышь могла принять одну коробку за другую: они были разных форм и цветов и имели разные запахи. Рамирес и Лю также использовали несколько контрольных групп - исключая возможность того, что вспышка самого лазера, а не активация инграммы, например, вызвала реакцию страха на следующий день. Они действительно создали память.

***

Объявление вызвало безумие в новостях. «Ученые отслеживают воспоминания о вещах, которые никогда не происходили», - гласит заголовок в « Нью-Йорк таймс» . Рамирес и Лю проснулись посреди ночи, чтобы дать живые интервью на европейском радио. Родители Лю, вернувшись в Китай, читают о его достижениях в Интернете. Общественное увлечение ролью фальшивой памяти в уголовных процессах (высокий темноволосый грабитель банков, которого видел очевидец, было на самом деле коротким и лысым) помогло продвинуть эту историю. Но без сомнения научный фантастический подтекст сделал это особенно захватывающим. Многим это казалось подтверждением знакомых (и пугающих) идей из фильмов, таких как « Начало» и « Вечное сияние чистого разума» . Ничто не так, как кажется; реальность - это всего лишь сон; кому ты доверяешь, мне или твоим лживым глазам?

Для нейробиологов открытие Рамиреса и Лю было совершенно лихим. «Для меня то, что сделало их успешными, это их бесстрашие», - говорит Джосселин. «Вы можете вообразить все, что может пойти не так, но эти парни пришли туда, у них были лучшие инструменты, они применили лучшую силу разума». Эйхенбаум соглашается с тем, что молодые ученые вышли «на конечности» и взяли серьезный риск с их карьерой. «Они могли бы потратить три года и в итоге ничего не показать», - говорит он.

Потратьте немного времени на Рамиреса и Лю, и вы быстро почувствуете их оптимистичное отношение. Они происходят из разных миров - Лю родился и вырос в Шанхае, в семье отца-инженера-химика и матери, которая работала на железной дороге, а родители Рамиреса бежали из гражданской войны в Сальвадоре в 1980-х годах и поселились в Эверетте, штат Массачусетс. но их хорошо подобранные личности не случайны. Осенью 2010 года, когда Лю брал интервью у потенциальных партнеров, чтобы исследовать с ним тайны памяти, он сначала сосредоточился на научной экспертизе. Но со временем он поставил другой атрибут в начало своего списка желаний - счастье. «Если вы собираетесь сотрудничать с людьми, вы хотите сотрудничать со счастливыми людьми», - говорит Лю. «И Стив - один из самых счастливых парней, которых я когда-либо видел». Он также быстро говорит, впихивая в каждый вдох целую кучу слов. «Он не может перестать говорить», - шутит Лю. «В противном случае он умрет».

***

Когда Рамирес был молодым, он часто посещал лабораторию передвижения животных Гарварда вместе со своим отцом, который начал там чистить клетки и подметать полы, а затем стал главным техником по животноводству. Во время посещения лаборатории Рамирес видел лам, страусов и других существ, а также «людей, делающих классные вещи с животными, проводящих измерения и прочее». Он полагает, что «непреднамеренно впитал что-то», что помогло ему подтолкнуть его к науке.

Но это был мозг, который закрыл сделку. «Будь то сонет, или получение кого-то на Луну, или выяснение биологических молекул жизни, все это было продуктом мозга, нейронной активности», - говорит Рамирес, описывая, как его широкие интересы - в Шекспире, инженерии, биология и многое другое - наконец, привело его к нейробиологии. «Почему бы не изучить то, что породило все?»

Лю также продемонстрировал научную склонность в начале жизни. И хотя он, конечно, не первый ученый, который провел свое детство, собирая жуков, преданность Лю была отличительной. Он выращивал семейства многоножек, имел много блестящих жуков и держал саранчу в крошечных клетках. Обычно он кормил саранчой эдамаме, но обнаружил, что острый перец вызвал интересную реакцию. «Они будут петь еще больше», - говорит он. После изучения биологии в Университете Фудань в Шанхае Лю получил докторскую степень в Медицинском колледже Бейлора, изучая память у плодовой мухи.

Будучи подростком, он увлекался научной фантастикой и написал роман под названием «Вызов» . Речь шла о будущем, в котором спортсмены больше не соревновались непосредственно друг с другом, а скорее подвергались различным объективным измерениям производительности или физиологии: скорости, силы, емкости легких и так далее. Герой хочет вернуться к реальной конкуренции и восстановить неизмеримые факторы удачи и случайности.

Однажды прошлой весной, когда Лю перечислял много вещей, которые могли пойти не так в его работе с Рамирезом - они могли быть побеждены командой соперников, они могли бы выбрать неправильную часть мозга, чтобы обнулить Он сказал, что убежден, что удача сыграла свою роль в их успехе. Если так, я сказал, тогда его работа как взрослый сделала на тему его детского романа. «Это удивительно», - сказал он после долгого молчания. «Я никогда не связывал эту книгу с этой работой, но я думаю, что вы правы».

Более двух десятков лабораторий по всему миру имеют проекты, основанные на исследованиях Рамиреса и Лю. Эйхенбаум, например, заинтересован в воспроизведении большего опыта, памяти, которая возникает со временем, как навигация в лабиринте.

В то время, когда лечение многих серьезных психических заболеваний отсутствует, потенциальные клинические применения модификации памяти заманчивы. «Это отчасти сумасшествие, - говорит Джоселин, чья работа связана с болезнью Альцгеймера и другими расстройствами, связанными с памятью, - но, может быть, кто-то с болезнью Альцгеймера ... может быть, мы можем найти лечение, чтобы просто пойти и сделать то, что сделали эти ребята в своих бумагах, и вроде как активировать эти клетки, ускорить активацию и лучше вспомнить воспоминания ».

В другом теоретическом применении ПТСР можно ослабить, повторно активировав плохую память, чтобы показать, что сама память не является вредной, или удалив травмирующие компоненты определенной плохой памяти, или заменив ее положительной. Опираясь на работу Рамиреса и Лю, другие в лаборатории Тонегава сделали именно это у мышей-самцов в начале этого года, превратив негативную память о шоковом ударе в позитивную память о встрече с самкой мыши.

Рамирес, который заканчивает докторскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте, и Лю, который направляется в Северо-западный университет, чтобы открыть собственную лабораторию, недавно задали еще один большой вопрос памяти: можем ли мы вмешаться в депрессивное состояние животного, оживив положительные воспоминания? Ответ, кажется, да. Они изучают мышиные модели ангедонии или потери интереса к удовольствию, симптома депрессии. Экспериментальные мыши, подверженные стрессу до тех пор, пока они больше не ищут удовольствия (например, глоток сахарной воды), возвращают свой интерес, когда энграммы для приятных переживаний возобновляются. Уровень успеха пока составляет 80 процентов.

«Поскольку существует доказательство принципа, что мы можем искусственно активировать воспоминания и создавать ложные воспоминания у животных, - говорит Рамирес, - единственный скачок, оставшийся между ними и людьми, - это просто технологические инновации».

Как насчет этических проблем манипулирования памятью? Патриция Черчленд, профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего и автор книги « Прикосновение к нерву: Я как мозг», говорит, что подобная терапия не будет таким глубоким изменением, как кажется. Человеческие воспоминания, неточные и лабильные с самого начала, уже давно стали целью вмешательства, от когнитивно-поведенческой терапии до электрошока и медикаментозного лечения. Лечить такие состояния, как депрессия, на уровне инграммы «непрерывно с тем, что мы уже делаем», говорит Чёрчленд, ведущий философ неврологии.

Рамирес считает, что операция памяти неизбежна, хотя есть много вопросов для решения. Как это можно сделать безопасно? Неинвазивно? Этически? Как будут отбираться пациенты? Как ни больно, как обычно, бывает разбитое сердце, большинство из нас также осознают, что это естественная, даже здоровая часть жизни. Мальчик из средней школы, который только что расстался со своей девушкой, может быть не лучшим кандидатом на операцию памяти. Но люди с деменцией или тяжелой депрессией - было бы негуманно не облегчить их страдания, если бы было возможно эффективное и безопасное вмешательство в память?

Попадания, которые Рамирес и Лю сделали в механику памяти, открывают широкий новый мир возможностей, глубоких, пугающих, удивительных - и неотложных. «Нам нужно начать вчерашний разговор о том, что мы будем делать, когда это произойдет, - говорит Рамирес, - чтобы мы были готовы и знали, как с этим справиться».

Познакомьтесь с двумя учеными, которые внедрили ложную память в мышь