De la sinapse la inteligența artificială: o călătorie prin misterul memoriei, unde a ajuns neuroștiința

Sunt multe teorii cu privire la modul în care amintirile sunt stocate în creierul nostru, dar care este consensul actual în privința memoriei?

Întrebarea cum sunt stocate amintirile în creierul uman este un puzzle vechi. De-a lungul anilor, au existat teorii plauzibile – dar dovezile experimentale care le susțin nu le-au urmat întotdeauna îndeaproape. Având în vedere că bolile care afectează memoria reprezintă o amenințare uriașă pentru sănătatea publică, există probabil o nevoie mai mare decât oricând de a dezvălui secretele modului în care creierul nostru păstrează informații.

Începuturile cercetării memoriei

Santiago Ramón y Cajal a fost primul care a sugerat că sinapsele ar putea fi cheia formării memoriei, încă din anii 1890. Ramón y Cajal a folosit o tehnică dezvoltată de omul de știință italian Camillo Golgi, pentru a produce imagini incredibil de detaliate ale țesutului cerebral. Cei doi au continuat să împartă un premiu Nobel pentru eforturile lor, iar desenele lui Ramón y Cajal sunt o priveliște familiară în prelegerile de neuroștiință și în ziua de azi.

Sinapsele sunt conexiunile dintre neuroni. O teorie – ale cărei începuturi au fost dezvoltate pentru prima dată mult mai târziu, în 1949, de către canadianul Donald Hebb – a susținut că schimbările persistente ale puterii acestor conexiuni, de-a lungul timpului, ar putea permite creierului să stocheze informații. Această idee a fost numită plasticitate sinaptică.

Alte experimente, inclusiv cele ale neurochirurgului canadian-american Wilder Penfield, au ajutat următoarea generație de oameni de știință să descopere unde să caute stocarea memoriei în creier. Penfield a lansat un nou mod de tratare a epilepsiei. S-ar putea să sune puțin extrem, dar el deschidea craniile pacienților pentru a le expune creierul și – în timp ce erau treji – sonda creierul cu un mic electrod, pentru a încerca să descopere ce fragmente specifice de țesut provocau convulsii. Penfield a remarcat că stimularea anumitor părți ale creierului a declanșat amintiri la pacienții săi.

A existat o regiune a creierului care ar ajunge să fie considerată cea mai importantă dintre toate, atunci când vorbim despre memorie – și pentru a înțelege asta, trebuie să cunoașteți povestea pacientului H.M.

Pacientul H.M. și hipocampul

În copilărie, persoana care a ajuns să fie cunoscută sub numele de H.M. a fost implicat într-un accident care i-a provocat convulsii. Până la vârsta de douăzeci de ani, crizele deveniseră atât de debilitante încât, în ciuda faptului că lua medicamente, a trebuit să renunțe la muncă.

În ultimă instanță, H.M. a suferit o intervenție chirurgicală drastică, pentru a-i îndepărta o parte din creier. A ajutat la controlul convulsiilor, dar a existat un efect secundar foarte notabil – H.M. a dezvoltat amnezie. În mod evocator, el și-a descris starea ca fiind „ca trezirea dintr-un vis… fiecare zi este singură în sine”.

S-a dovedit că partea din creierul lui H.M. care fusese îndepărtată includea o regiune cheie – hipocampul. Îngropată adânc în creier, structura în formă de căluț de mare a fost considerată de atunci piatra de temelie a învățării și a reamintirii, iar această descoperire se datorează pacienților precum H.M.

Știm acum că imaginea este puțin mai complexă și că nicio parte a creierului nu este responsabilă pentru tot ceea ce are legătură cu memoria – de exemplu, un studiu recent a arătat că cerebelul ne ajută să stocăm amintiri asociate cu emoții puternice. Cu toate acestea, ceea ce toate acestea încă nu abordează este modul în care se formează amintirile, în primul rând.

Plasticitate sinaptică și potențare pe termen lung

Timp de multe decenii, teoria preferată în rândul oamenilor de știință, în neuroștiință, care cercetează stocarea memoriei, s-a bazat pe ideea că conexiunile sinaptice pot fi mai puternice atunci când sunt activate în mod repetat. Când acest efect se întâmplă într-un mod de lungă durată, se numește potențare pe termen lung (LTP).

Pentru ca un semnal electric să fie transmis de la o celulă nervoasă la alta, trebuie să treacă cumva prin sinapsă. Acest lucru se întâmplă într-o serie de trei pași principali. În primul rând, neurotransmițătorii chimici sunt eliberați în despicatura sinaptică. Aceștia se leagă de receptorii de pe neuronul de pe partea opusă a despicăturii. Această legare declanșează deschiderea canalelor ionice. LTP poate fi realizat fie atunci când există mai multe molecule de neurotransmițători eliberate, fie atunci când există mai mulți receptori disponibili pentru a se lega. Oricum, mai mult curent electric va trece prin canalele ionice, făcând conexiunea sinaptică mai puternică.

Ideea este că sinapsele puternice se formează în punctul în care se creează o nouă memorie și că acest model de potențare este suficient pentru a codifica și stoca memoria. A fost dificil de demonstrat experimental că LTP este cheia principală pentru deblocarea secretelor stocării memoriei în creier, deși dovezile care arată că este foarte importantă se construiesc. De-a lungul anilor, totuși, mulți oameni de știință au sugerat că nu este toată povestea.

Engrame de memorie

Termenul „engramă” se întoarce la primele zile ale teoriei memoriei. Propusă de Richard Semon în 1904, se credea că o engramă este o colecție de celule care au suferit modificări chimice sau fizice de durată și care, atunci când sunt reactivate, permit reamintirea unei anumite amintiri. Așa cum aminoacizii sunt unitățile individuale care alcătuiesc proteinele, engramele ar putea fi considerate unitățile de bază ale amintirilor.

În timpul vieții lui Semon, teoria lui nu a primit prea multă atenție. Mai recent, totuși, progresele tehnologice ar putea deschide calea pentru o descoperire pe care Semon însuși a descris-o drept o „întreprindere fără speranță” – baza biologică a engramelor.

Astfel, o serie de studii ale unui grup de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au oferit dovezi convingătoare pentru existența așa-numitelor „engrame tăcute”. Cercetătorii au reușit să recupereze în mod artificial amintiri ale evenimentelor care au fost stocate în creierul șoarecilor cu amnezie retrogradă. Echipa a publicat apoi o lucrare ulterioară, adăugând mai multă greutate teoriei lor că, deși plasticitatea sinaptică este implicată în formarea memoriei, nu este necesară pentru stocarea memoriei pe termen lung.

„Una dintre concluziile noastre principale în acest studiu este că o memorie specifică este stocată într-un model specific de conectivitate, între ansamblurile de celule engrame, care se află de-a lungul unei căi anatomice”, a spus autorul principal Susumu Tonegawa, într-o declarație din 2017.

„Această concluzie este provocatoare, deoarece dogma a fost că o amintire este, în schimb, stocată de puterea sinaptică”.

După cum arată o revizuire a subiectului din 2020, „răman multe întrebări”. Cu toate acestea, este incitant să ne gândim că o idee care a fost însămânțată la începutul secolului trecut ar putea fi acum mai aproape de consensul științific acceptat.

Memorie mecanică

În 2021, omul de știință britanic Ben Goult a vorbit cu IFLScience despre o teorie nou-nouță, în care creierul uman este asemănat cu un computer.

MeshCODE, așa cum a fost numită această mașinărie asemănătoare computerului, funcționează ca un cod binar – în acest caz, 1-urile și 0-urile sunt stări structurale diferite ale unei proteine, numite talin.

De când ipoteza inițială a fost publicată, Goult a vorbit în continuare cu privire la rolul potențial al talinei, plus alte proteine care formează „meshwork” eponim de proteine la fiecare sinapsă. Luați diagrama transmisiei sinaptice de mai sus; rețeaua este un schelet de proteine care se încrucișează, care se află în interiorul neuronilor la fiecare margine a sinapsei.

Cel mai recent, echipa a construit modele la scară ale complexelor MeshCODE, pentru a vizualiza modul în care aceste molecule interacționează în viața reală, după ce a descoperit că toate modelele actuale sunt dramatic incorecte. Analiza noilor modele a dus la unele actualizări interesante ale teoriei.

„Cu noua noastră analiză, am realizat brusc o nouă descoperire că aceste comutatoare introduc o creștere mare a lungimii acestor molecule (starea „1” este de aproximativ 10 ori mai lungă decât starea „0”)”, a spus Goult pentru IFLScience. Deoarece o moleculă de talin are 13 comutatoare de-a lungul lungimii sale, aceasta înseamnă că proteina ar putea fi întinsă teoretic la aproape un micron.

„Ne-am dat seama că, pe măsură ce modelele de comutare se schimbă, ele vor muta enzimele legate de MeshCODE, după aceea comuta la o distanță cuantificată departe de zona active a sinapsei”, a continuat Goult.

Și iată-ne din nou – înapoi la sinapse. Aceste noi modele i-au ajutat pe Goult și pe echipa sa să descopere modul în care funcționarea MeshCODE ar putea avea un efect secundar asupra activității sinaptice, despre care știm că are un rol important în memorie.

„Aici am descoperit că codul binar va reorganiza enzimele din sinapsă și asta duce la o idee despre cum un cod binar ar putea coordona activitatea sinaptică. Pe măsură ce comutatoarele organizează spațial enzimele una față de cealaltă și țintele lor, unele coduri le vor alinia perfect pentru o activitate foarte rapidă, iar unele ar ține aceste molecule departe una de cealaltă, prevenind activitatea!”, spune Goult.

Următorul pas va fi, de fapt, vizualizarea moleculelor de talin care își schimbă forma în interiorul neuronului, ceva despre care echipa speră că nu este departe. Ei cercetează, de asemenea, o serie de boli ale sistemului nervos, plus unele tipuri de cancer, despre care cred că ar putea fi afectate de semnalizarea alterată a talinului.

Goult are mari speranțe că teoria MeshCODE ar putea fi forța unificatoare care a lipsit până acum pentru toate aspectele memoriei prin care am călătorit.

„Aceasta este marea idee a acestei teorii, că toate amintirile noastre sunt scrise fizic în forma acestor molecule din creierul nostru. Mi se pare destul de interesant să-mi imaginez că fiecare lucrul pe care ni-l amintim are o locație fizică, unde este scrisă în creier. În cele din urmă, ceea ce propun este locația engramelor, substanța fizică a memoriei, ca acestea să fie scrise în format binar sub forma moleculelor de memorie MeshCODE din schelele sinaptice și să fie citite prin modificarea transmisiei prin fiecare sinapsă din circuitele neuronal”, explică omul de știință.

Ce rezervă viitorul?

Acesta este un moment interesant în domeniul cercetării memoriei. Progresele tehnologice moderne înseamnă că teoriile și ideile care au fost postulate încă din primele zile ale neuroștiinței pot fi acum testate experimental în moduri în care nu au fost înainte. După cum subliniază Goult, unele dintre cele mai mari descoperiri vin atunci când oamenii de știință din medii diferite lucrează împreună: „Cred că o mulțime de descoperiri interesante sunt făcute la interfața dintre discipline, de exemplu mecanobiologia se află la interfața ingineriei și biologiei”.

O mare parte din funcționarea creierului uman rămâne încă evazivă. Cu toate acestea, atât timp cât se propun noi teorii – și se rețin unele mai vechi – vom continua să ne îndreptăm spre o mai bună înțelegere a minții noastre.