Alltför många nervceller Skäm Memory

Too Many Neurons Spoil the Memory

Ny forskning avslöjar de cellulära mekanismer genom vilka minnes kodar neuronala nätverk uppstår


Powered by Guardian.co.ukDenna artikel med rubriken “Alltför många nervceller förstöra minnet” skriven av Mo Costandi, för theguardian.com på fredag ​​12 februari 2016 15.15 UTC

Berätta var bo tankar, glömt tills du kallar dem tillbaka? Berätta var bo glädjen i gamla, och där de gamla kärlekar, Och när kommer de förnyar igen, och natten av glömska tidigare, Att jag skulle korsa gånger och utrymmen långt avlägsen, och föra Comforts in en present sorg och en natt av smärta? Där goest thou, O tanken? I vilken fjärr mark är din flygning? Om du returnest till nuet av lidande, Vill du ge komfort på dina vingar, och dagg och honung och balsam, Eller gift från öknen vildmarken, från ögonen på envier?

I hans episka dikt, Visioner av döttrarna av Albion, William Blake undrar om vilken typ av minne, dess förmåga att mentalt transportera oss till avlägsna tider och platser, och starka känslor, både positiva och negativa, att våra minnen kan framkalla. Dikten innehåller frågor som återstår mycket relevant i dag, såsom vad som händer med våra länge förlorade minnen, och hur vi tar dem?

Mer än två år senare, mekanismerna för minneslagring och hämtning är de mest intensivt studerade fenomen i hjärnan vetenskaper. Det är allmänt trott att minnesbildning innebär en förstärkning av förbindelserna mellan glest distribuerade nätverk av nervceller i en hjärnstruktur som kallas hippocampus, och att efterföljande hämtning innebär reaktivering av samma neuronala ensembler. Och ändå, neuroforskare kämpar fortfarande att svara på Blake frågor definitivt.

Nu, en forskargrupp vid universitetet i Genève har gjort en annan viktigt framsteg i vår förståelse av de neurala mekanismer som ligger bakom minnesbildning. Med hjälp av en state-of-the-art metod som kallas optogenetik, de visar hur de neuronala ensembler som kodar minnen dyker upp, avslöjar att ensembler innehåller alltför många neuroner - eller för få - försämring av minnet hämtning.

optogenetik är en extremt kraftfull teknik som innebär införande av alger proteiner som kallas channelrhodopsins (ChRs) till neuroner. Detta gör att cellerna är känsliga för ljus, så som kan kopplas bestämda grupper av dem eller inaktivera, använder pulser av laserljus avges till hjärnan via optiska fibrer, på en tidsskala av millisekunder.

Under de senaste åren, forskare har använt optogenetik att märka hippocampusneuroner som blir aktiva under minnesbildning i mushjärna, och att manipulera de märkta ensembler på olika sätt. På det här sättet, de kan återaktivera samma ensembler till inducera minneshämtning; växla rädda minnen på eller stänga av; konvertera negativa minnen till positiva, eller tvärtom; och även implantera helt falska minnen i hjärnan hos möss.

Den nya forskningen, ledd av Pablo Mendez och den sena Dominique Muller, som tragiskt dog i en glidning olycka i april förra året, bygger på detta tidigare arbete. De skapade genetiskt modifierade möss som uttrycker CHR i granulat celler på ena sidan av hjärnan, i dentate region av hippocampus. Granulceller är de principiella nervceller i denna region av hippocampus, som tros vara avgörande för hippocampus funktioner såsom minne och spatial navigering. De placeras djuren i stora burar, låta några av dem att utforska sin nya miljö. Under tiden, de optogenetically aktiverade slump granulceller i några av mössen, men inte andra.

Hippocampus granulceller som uttrycker channelrhodopsin (i rött).
Hippocampus granulceller som uttrycker channelrhodopsin (i rött). Bild: pablo Mendez

När de dissekerade och undersökte djurens hjärnor 45 minuter senare, fann forskarna rumsliga prospektering framkallade aktivitet i ensembler av hippocampus neuroner, enligt bestämning med nivåer av cFos, en så kallad "omedelbart tidiga" gen som slås på snabbt när neuroner börjar att avfyra. Viktigt, möss får utforska sina burar hade högre antal cFos-expressing granule cells than those left in their home cages for the duration of the experiment, and those that received optogenetic stimulation during the exploration had significantly higher numbers of cFos–positive neurons than those that did not.

This showed that spatial exploration evokes activity in ensembles of dentate granule cells, and that randomly altering the activity of these networks with optogenetic stimulation increases the size of the ensembles, or the number of cells within them.

But does manipulating the size of the ensembles have any effect on behaviour? To find out, Mendez and his colleagues placed mice expressing ChR in their hippocampi into another cage, and gave them several mild electric shocks. With repetition of this treatment, the mice quickly learn to fear the cage, and quickly freeze up when returned into it, even when they are not given more shocks.

Den här gången, the researchers optogenetically stimulated random granule cells in some of the mice, men inte andra, during the training, in order to increase the size of the neuronal ensemble that encodes the fearful memory. These mice exhibited less freezing behaviour when returned to the same cage than others who received no stimulation. But the stimulation also created artificial fear memories, such that the animals froze up in other situations, för.

Inhibition of random granule cells had the same effect, suggesting that merely altering the number of neurons in the ensemble interfered with the animals’ ability to recall the fearful memories. These findings are consistent with those of an earlier study, which also showed that inhibiting or stimulating granule cell activity impairs contextual learning.

To understand why this might be, the researchers performed another series of experiments, using microelectrodes to record the activity of neurons in slices of hippocampal tissue. These experiments showed that optogenetic stimulation of granule cells produces a robust response in neighbouring interneurons, which release the inhibitory neurotransmitter GABA.

Sålunda, the firing of granule cells leads inhibitory interneurons, which dampen adjacent granule cells and prevent them from entering the ensemble. På det här sättet, interneurons appear to stabilize newly-formed memories by regulating the number and distribution of granule cells involved in encoding memories. Activating or silencing random granule cells upsets this process and alters the number of granule cells, which may make the new memories unstable.

“In this study, we used a simple form of memory, the memory of a spatial context, but the challenge is studying how more complex experiences are memorized, and how the brain deals with the storage of multiple experiences,” says Mendez. “Understanding these questions could help us to understand the limits of the brain’s storage capacity.”

Referens

Stefanelli, T., et al. (2016). Hippocampal Somatostatin Interneurons Control the Size of Neuronal Memory Ensembles. Nervcell, 89: 1-12. GÖR JAG: 10.1016/j.neuron.2016.01.024 [Abstrakt]

guardian.co.uk © Guardian Nyheter & Media Limited 2010