ساعد علم البصريات الوراثي والتصوير المتقدم علماء الأعصاب على فهم كيفية تشكل الذكريات وجعل من الممكن التلاعب بها .
يوجد 86 مليار خلية عصبية في دماغ الإنسان ، لكل منها آلاف الوصلات ، مما يؤدي إلى ظهور مئات التريليونات من نقاط الاشتباك العصبي . نقاط الاشتباك العصبي - نقاط الاتصال بين الخلايا العصبية – تخزّن الذكريات . إن العدد الهائل من الخلايا العصبية والمشابك في أدمغتنا يجعل العثور على الموقع الدقيق لذاكرة معينة تحديًا علميًا هائلاً .
إن اكتشاف كيف تتشكل الذكريات قد يساعدنا في النهاية على معرفة المزيد عن أنفسنا والحفاظ على حدتنا العقلية سليمة . تساعد الذاكرة في تشكيل هويتنا ، وقد يشير ضعف الذاكرة إلى اضطراب في الدماغ . مرض الزهايمر يسلب الذكريات عن طريق تدمير نقاط الاشتباك العصبي . الإدمان يختطف مراكز التعلّم والذاكرة في الدماغ ؛ وترتبط بعض حالات الصحة العقلية ، مثل الاكتئاب ، بضعف الذاكرة .
من نواحٍ عديدة ، كشف علم الأعصاب عن طبيعة الذكريات ، لكنه أيضًا قلب فكرة ماهية الذكريات . تتحدث الأسئلة الخمسة أدناه عن مقدار ما تعلمناه وما هي الألغاز المتبقية .
هل يمكننا رؤية الذكريات في الدماغ؟
لاحظ علماء الأعصاب الخطوط العريضة الأساسية للذكريات في الدماغ لعقود . ومع ذلك ، لم يتمكنوا من رؤية التمثيل المادي الدائم للذاكرة إلا مؤخرًا ، وهو ما يسمى ذاكرة engram (تغيير افتراضي في الأنسجة العصبية من أجل تفسير استمرارية الذاكرة او تتبع الذاكرة). يتم تخزين engram داخل شبكة من الخلايا العصبية المتصلة ، ويمكن جعل الخلايا العصبية التي تحمل engram تتوهج بحيث تكون مرئية من خلال مجاهر خاصة .
اليوم ، يمكن لعلماء الأعصاب التلاعب بالذاكرة engrams عن طريق التنشيط المصطنع لشبكاتهم الأساسية وإدخال معلومات جديدة . تلقي هذه التقنيات الضوء أيضًا على كيفية عمل أنواع مختلفة من الذاكرة ومكان تسجيل كل منها في الدماغ .
تتعامل ذاكرة السيرة الذاتية العرضية مع ما حدث وأين ومتى . يعتمد على الحصين ، وهو هيكل على شكل فرس البحر (في الدماغ ) . الذكريات الإجرائية ، التي تدعمها العقد القاعدية ، تجعلنا نتذكر كيفية تنفيذ السلوكيات المعتادة مثل ركوب الدراجة . هذه المنطقة تتعطل في أولئك الذين يعانون من الإدمان . إن قدرتنا على تذكر الحقائق ، مثل عواصم الدول ، بفضل الذاكرة الدلالية المخزنة في القشرة .
ما هي الأدوات التي تسمح لنا برؤية الذكريات؟
في نهاية القرن التاسع عشر ، أتاحت المجاهر المنضدية تحديد الخلايا العصبية الفردية ، مما مكّن العلماء من رسم تمثيلات مفصلة بشكل مذهل للدماغ . بحلول منتصف القرن العشرين ، اصبح بإمكان المجاهر الإلكترونية القوية أن تظهر هياكل متشابكة بعرض عشرات النانومتر فقط (حوالي عرض جسيم الفيروس) . في مطلع القرن الحادي والعشرين ، استخدم علماء الأعصاب مجاهر ثنائية الفوتون لمشاهدة تشكُّل المشابك في الوقت الفعلي بينما تتعلم الفئران .
كما أتاحت التطورات المذهلة في علم الوراثة إمكانية تبديل الجينات داخل وخارج الدماغ لربطها بوظيفة الذاكرة . استخدم العلماء الفيروسات لإدخال بروتين أخضر فلوري موجود في قنديل البحر في أدمغة الفئران ، مما يتسبب في إضاءة الخلايا العصبية أثناء التعلم . لقد استخدموا أيضًا بروتين طحالب يسمى تشانيل رودوبسين (ChR2) لتنشيط الخلايا العصبية بشكل مصطنع . يعتبر البروتين حساسًا للضوء الأزرق ، لذلك عند إدخاله في الخلايا العصبية ، يمكن تشغيل الخلايا العصبية وإيقافها باستخدام الليزر الأزرق - وهي تقنية تُعرف باسم علم البصريات الوراثي . باستخدام هذه التقنية ، التي ابتكرها باحثون في جامعة ستانفورد منذ ما يقرب من عقدين من الزمن ، يمكن لعلماء الأعصاب تنشيط خلايا الذاكرة بشكل مصطنع في حيوانات المختبر.
تتيح التقنيات الجديدة أيضًا إمكانية دراسة كيفية ترجمة النبضات العصبية للمعلومات الخارجية إلى عوالمنا الداخلية . لمشاهدة هذه العملية في الدماغ ، يستخدم علماء الأعصاب أقطابًا كهربائية صغيرة لتسجيل النبضات ، والتي تستمر لبضعة أجزاء من الألف من الثانية . يمكن للأدوات التحليلية مثل خوارزميات فك التشفير العصبي التخلصَ من الضوضاء للكشف عن الأنماط التي تشير إلى وجود مركز ذاكرة في الدماغ . تسمح مجموعات البرامج مفتوحة المصدر لمزيد من مختبرات العلوم العصبية بإجراء مثل هذه الأبحاث .
ماذا تخبرنا هذه الأدوات عن كيفية تكوين الذكريات وتخزينها؟
كيف تصبح الخلايا العصبية جزءًا من ذاكرة engram ظل لغزًا حتى وقت قريب . عندما نظر علماء الأعصاب عن كثب ، فوجئوا برؤية أن الخلايا العصبية تتنافس مع بعضها البعض لتخزين الذكريات . من خلال إدخال الجينات في الدماغ لزيادة أو تقليل استثارة الخلايا العصبية ، تعلم الباحثون أن أكثر الخلايا العصبية إثارة في المنطقة ستصبح جزءًا من برنامج engram . تتنافس هذه الخلايا العصبية مع خلايا جيرانها كي تمنعهن من أن يصبحوا جزءًا من برنامج engram آخر لفترة قصيرة من الزمن . من المحتمل أن تساعد هذه المنافسة في تكوين الذكريات وتوضح أن المكان المخصص للذكريات في الدماغ ليس عشوائيًا .
في تجارب أخرى ، وجد الباحثون أن الشبكات العصبية تتمسك بالذكريات المنسية . تُصاب الفئران التي تُحقن بمزيج من مثبطات البروتين بفقدان الذاكرة ، ومن المحتمل أن تنسى المعلومات لأن نقاط الاشتباك العصبي لديها تتلاشى. لكن الباحثين اكتشفوا أن هذه الذكريات لم تُفقد إلى الأبد - فالخلايا العصبية لا تزال تحتفظ بالمعلومات ، على الرغم من أنه بدون المشابك العصبية ، لا يمكن استرجاعها (على الأقل ليس بدون التحفيز البصري الوراثي) . أظهرت الفئران المصابة بمرض الزهايمر فقدان ذاكرة مماثل .
اكتشاف آخر له علاقة بالكيفية التي يقوي بها الحلم ذاكرتنا . لطالما اعتقد علماء الأعصاب أنه مع تكرار تجارب اليوم في شكل نبضات عصبية أثناء النوم ، تنتقل تلك الذكريات ببطء من الحُصين وإلى القشرة بحيث يمكن للدماغ أن يستخرج المعلومات لإنشاء قواعد عن العالم . كانوا يعرفون أيضًا أن بعض القواعد تم تجميعها بواسطة القشرة المخية بسرعة أكبر ، لكن النماذج الحالية لم تستطع تفسير كيفية حدوث ذلك . على الرغم من ذلك ، استخدم الباحثون مؤخرًا أدوات علم البصريات الوراثي في الدراسات التي أجريت على الحيوانات لإظهار أن الحُصين يعمل أيضًا على إنشاء هذه الذكريات القشرية سريعة التكوين .
يقول تاكاشي كيتامورا ، الأستاذ المساعد في جامعة تكساس ساوثويستيرن ميديكال سنتر : "يساعد الحُصين على إنشاء إنغرامات الذاكرة غير الناضجة بسرعة في القشرة المخية" . "لا يزال الحصين يعلّم القشرة ، ولكن بدون أدوات علم البصريات الوراثي ربما لم نلاحظ إنغرامات غير الناضجة ."
هل يمكن التلاعب بالذكريات؟
الذكريات ليست مستقرة كما قد تشعر . بحكم طبيعتهم ، يجب أن يكونوا قابلين للتغيير ، وإلا سيكون التعلم مستحيلاً.
منذ ما يقرب من عقد من الزمان ، قام باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتغيير الفئران وراثيًا بحيث عندما كانت خلاياهم العصبية نشطة أثناء التعلم ، قام هذا النشاط بتشغيل جين ChR2 ، الذي تم ربطه ببروتين مضيء أخضر . من خلال رؤية الخلايا العصبية المتألقة ، يمكن لعلماء الأعصاب تحديد الخلايا التي تشارك في التعلم . ويمكنهم إعادة تنشيط ذكريات معينة عن طريق تسليط الضوء على جينات ChR2 المرتبطة بتلك الخلايا العصبية .
بهذه القدرة ، أدخل باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ذاكرة خاطئة في أدمغة الفئران . في البداية وضعوا الفئران في صندوق مثلثي ، ينشط جينات وخلايا ChR2 معينة . ثم وضعوا الفئران في صندوق مربع وصدموا أقدامهم بالصدمات أثناء تسليط الضوء على الخلايا العصبية ChR2 المرتبطة بالبيئة الأولى .
في النهاية ، ربطت الفئرانُ ذاكرةَ الصندوق المثلث بالصدمات على الرغم من أنها صُدمت فقط أثناء وجودها في الصندوق المربع . يقول ستيف راميريز ، أحد المؤلفين المشاركين في الدراسة والذي يعمل الآن أستاذًا مساعدًا لعلم الأعصاب في جامعة بوسطن : "كانت الحيوانات تخشى بيئة ، من الناحية الفنية ، لم يحدث فيها أي شيء" سيء ".
ليس من المجدي استخدام مثل هذه التقنيات التي تتضمن كابلات الألياف الضوئية والليزر لإجراء تجارب على الدماغ البشري ، ولكن النتائج على أدمغة الفئران تشير إلى مدى سهولة التلاعب بالذكريات .
هل يمكننا رؤية الذكريات خارج الدماغ؟
يمكن إعادة بناء ذكريات الإنسان بصريًا باستخدام الماسحات الضوئية للدماغ . في بحث أجراه بريس كوهل ، وهو الآن أستاذ مساعد في علم الأعصاب الإدراكي بجامعة أوريغون ، تم إعطاء الأشخاص صورًا لمشاهدتها ، وتم مسح أدمغتهم بجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي لقياس المناطق النشطة . ثم تم تدريب خوارزمية لتخمين ما كان الشخص يشاهده وإعادة بناء الصورة بناءً على هذا النشاط . أعادت الخوارزمية أيضًا بناء الصور من المشاركين الذين طُلب منهم الاحتفاظ بإحدى الصور التي شاهدوها في أذهانهم .
هناك مجال كبير للتحسين في هذه الصور المعاد بناؤها ، لكن هذا العمل أظهر أن خوارزميات التصوير العصبي وإعادة البناء يمكنها بالفعل إظهار محتوى الذكريات البشرية ليراه الآخرون .
أتاحت التكنولوجيا لعلماء الأعصاب النظر في الدماغ ورؤية الآثار الصغيرة المتوهجة للذاكرة . ومع ذلك ، فإن اكتشاف أن الخبرات والمعرفة يمكن غرسها أو تحويلها إلى الخارج , قد أعطى الذاكرة أيضًا معنى مختلفًا . ماذا يعني هذا لإدراكنا من نحن؟
المصدر