Nhìn lại cách bộ não của chúng ta tổ chức ký ức theo thời gian

Nghiên cứu về tổ chức bộ nhớ của chúng ta từ lâu đã là một chủ đề thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học thần kinh vì điều này có thể dẫn đến các phương pháp điều trị để đảo ngược chứng suy giảm nhận thức. Ở đây, chúng tôi xem xét một số phát hiện gần đây về cách bộ nhớ được tổ chức, cho thấy tầm quan trọng của “làn sóng” phối hợp hoạt động của tế bào thần kinh trong điều hướng không gian và bản chất thời gian cơ bản cách các ký ức liên kết được mã hóa.

Vì vậy, các kết quả được mô tả ở đây làm nổi bật vai trò quan trọng và có thể thay đổi của hồi hải mã - trung tâm trí nhớ của não - trong việc hình thành và củng cố ký ức của chúng ta, cũng như mở rộng cảm giác nhận dạng của chúng ta.

Điều khiển “Dàn nhạc” thần kinh của não: Bản đồ không gian trong mắt của tâm trí chúng ta

Đối với một con chuột, bản đồ không gian được cập nhật và tạo ra như thế nào khi nó đang điều hướng môi trường của nó? Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học lần đầu tiên báo cáo rằng vùng hải mã trung tâm CA1 trong não chuột chịu trách nhiệm về bản đồ này - và điều này xảy ra thông qua đầu vào sóng thần kinh từ các vùng não gần đó. Để chứng minh điều này, vùng hải mã CA3 nằm gần CA1 đã được thao tác để đầu vào của nó bị tắt. Thật vậy, khi quá trình nhập liệu bị dừng lại, có một sự lộn xộn đáng kể của các bản đồ được cập nhật.

Trong nghiên cứu này, những con chuột được biến đổi gen để biểu hiện một độc tố trong CA3 làm ngừng chức năng của các khớp thần kinh kết nối CA3 với các vùng khác của não. Điều này không làm thay đổi hoạt động của tế bào thần kinh nhưng loại bỏ giao tiếp giữa các khớp thần kinh và cho phép các nhà khoa học điều tra những gì xảy ra với bản đồ không gian trong CA1 khi đầu vào CA3 bị loại bỏ.

Tiếp theo, dòng điện từ các tế bào thần kinh riêng lẻ và tổng dòng điện từ một nhóm tế bào thần kinh lớn hơn (gọi là điện thế trường cục bộ) được ghi lại khi chuột chạy trên đường chạy. Sau đó, các nhà khoa học có thể đo lường từng chu kỳ theta, hoặc thời gian mà bản đồ không gian thần kinh trong vùng hải mã được cập nhật do hoạt động của chuột xác định.

Mặc dù những con chuột chuyển gen không gặp khó khăn trong việc thực hiện nhiệm vụ điều hướng và các tín hiệu nơ-ron đơn lẻ có thể thể hiện chính xác thông tin không gian, phát hiện quan trọng là có những sai sót rõ ràng trong việc tổ chức các tín hiệu thần kinh này ở cấp độ dân số toàn cầu. Một phép tương tự đơn giản để minh họa điều này là việc loại bỏ đầu vào từ CA3 đến CA1 không làm thay đổi “âm nhạc” thần kinh mà thay vào đó, loại bỏ “dây dẫn”.

Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên làm sáng tỏ mạch kết nối các cụm tế bào vị trí (một loại tế bào thần kinh vùng hải mã liên quan đến điều hướng không gian) và cách chúng tự cập nhật. Cụ thể hơn, việc loại bỏ đầu vào CA3 sẽ cản trở khả năng dự đoán vị trí không gian. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kích hoạt các tế bào thần kinh theo trình tự để đảm bảo rằng chúng ta có thể sắp xếp ký ức theo thời gian.

Ở đây chúng ta thấy rằng “dàn nhạc” thần kinh cần “dây dẫn” ở dạng đầu vào CA3, và các tế bào thần kinh riêng lẻ trong vùng hippocampus không đủ để tạo ra một bản đồ hoạt động của không gian. Điều này nhấn mạnh sự phụ thuộc lẫn nhau của các chiến lược xác định mã hóa các tế bào thần kinh. Đáng chú ý, có sự giảm rõ rệt trong các dao động thần kinh, đặc trưng của giao tiếp từ CA3 đến CA1. Do những gián đoạn như vậy trước đây có liên quan đến các bệnh thoái hóa thần kinh như Alzheimer, công việc trong tương lai về tổ chức nhịp điệu của não có thể cải thiện hiểu biết về cách tổ chức mạch của não trong các bệnh như vậy.

Mất kết nối giữa những kỷ niệm liên quan khi chúng ta già đi - Điều này có thể đảo ngược được không?

Trong một nghiên cứu khác, một nhóm các nhà khoa học đã sử dụng một kính hiển vi cực nhỏ (được gọi là Miniscope) để xem não qua một cửa sổ thu nhỏ và điều tra xem các ký ức trong não được liên kết như thế nào theo thời gian.Mặc dù các kết nối như vậy dần dần bị suy yếu theo tuổi tác, các nhà khoa học này đã có thể tạo ra một cách cho phép các ký ức riêng biệt được kết nối lại trong não chuột trung niên. Điều quan trọng là, điều này có tiềm năng to lớn để phát triển thành một phương pháp điều trị cho những bệnh nhân mắc chứng sa sút trí tuệ do tuổi tác.

Kính Miniscope gắn trên đầu được sử dụng trong nghiên cứu này cho phép các nhà khoa học hình dung các tế bào thần kinh hoạt động trong não khi những con chuột được phép di chuyển tự do. Ba hộp duy nhất đã được sử dụng cho nghiên cứu này, và phần đầu tiên của nghiên cứu liên quan đến chuột non. Ở đây, mỗi con chuột được đặt trong cả ba con chuột trong 10 phút mỗi phiên. Vị trí trong hộp đầu tiên và hộp thứ hai cách nhau một tuần trong khi vị trí trong hộp thứ hai và thứ ba chỉ cách nhau năm giờ. Ngoài ra, con chuột đã bị sốc trong hộp thứ ba.

Sau hai ngày, mỗi con chuột được trả về cả ba hộp. Không có gì đáng ngạc nhiên, những con chuột đóng băng vì sợ hãi khi nhận ra các đặc điểm của hộp thứ ba. Tuy nhiên, điều hấp dẫn là con chuột cũng bị đóng băng khi được đặt vào hộp thứ hai mặc dù thực tế là không có cú sốc nào được quản lý trong hộp này trước đó. Điều này cho thấy rằng ký ức về cú sốc đã được chuyển từ hộp thứ ba sang trải nghiệm trong hộp thứ hai diễn ra năm giờ trước đó.

Một thí nghiệm tương tự sau đó đã được thực hiện với những con chuột trung niên sử dụng hai hộp, cách nhau năm giờ, và theo đó một cú sốc được đưa ra trong hộp thứ hai. Người ta thấy rằng những con chuột già này chỉ bị đóng băng ở hộp thứ hai nơi chúng bị sốc, chứ không phải ở hộp đầu tiên. Về vấn đề này, Miniscope phát hiện ra rằng hai ký ức không được liên kết và thay vào đó có các mạch thần kinh được mã hóa riêng biệt. Đáng chú ý hơn, điều này chỉ ra rằng lão hóa làm suy yếu khả năng hưng phấn và mã hóa trí nhớ của các tế bào thần kinh.

Có lẽ phát hiện thú vị nhất trong nghiên cứu này là những kết nối bị mất này trên thực tế có thể được giải cứu. Trong loạt thí nghiệm sau, các nhà khoa học lần đầu tiên kích thích các tế bào thần kinh trong một vùng của hồi hải mã trước khi đặt những con chuột vào hộp đầu tiên. Sau đó, những con chuột được đưa vào hộp đầu tiên và hộp thứ hai, nơi được thực hiện sốc chân sau hai ngày. Khi giới thiệu lại hộp đầu tiên, những con chuột bị đóng băng khi chúng liên kết cú sốc ở hộp thứ hai với hộp đầu tiên, ngụ ý rằng khả năng hưng phấn của tế bào thần kinh được nâng cao đã giải cứu sự suy giảm liên kết trí nhớ do tuổi tác.

Đặc biệt cần lưu ý rằng những ký ức không xảy ra một cách cô lập trong cuộc sống thực, vì những kinh nghiệm trong quá khứ ảnh hưởng đến cách những ký ức mới được hình thành và ảnh hưởng đến quá trình ra quyết định của chúng ta trong tương lai. Hy vọng rằng một ngày nào đó, nghiên cứu trong lĩnh vực này sẽ giúp những người bị suy giảm nhận thức do tuổi tác cải thiện khả năng kết nối và lưu giữ ký ức của họ.

Người giới thiệu

Cai, D. J., Aharoni, D., Shuman, T., Shobe, J., Biane, J., Song, W.,… Silva, A. J. (2016). Một quần thể thần kinh được chia sẻ liên kết các ký ức theo ngữ cảnh riêng biệt được mã hóa theo thời gian. Thiên nhiên, 534(7605), 115–118. doi: 10.1038 / nature17955

Feng, T., Silva, D., & Foster, D. J. (2015). Sự phân tách giữa sự phát triển phụ thuộc vào kinh nghiệm của trình tự Hippocampal Theta và giai đoạn thử nghiệm đơn Precession. Tạp chí Khoa học Thần kinh, 35(12), 4890–4902. doi: 10.1523 / jneurosci.2614-14.2015

Middleton, S. J., & McHugh, T. J. (2016). CA3 im lặng làm gián đoạn mã hóa tạm thời trong nhóm CA1. Khoa học thần kinh tự nhiên. doi: 10.1038 / nn.4311

Moser, E. I., Roudi, Y., Witter, M. P., Kentros, C., Bonhoeffer, T., & Moser, M.-B. (2014). Tế bào lưới và biểu diễn vỏ não. Nature Reviews Neuroscience, 15(7), 466–481. doi: 10.1038 / nrn3766

Bài viết của khách này ban đầu xuất hiện trên blog khoa học và sức khỏe từng đoạt giải thưởng và cộng đồng có chủ đề về não bộ, BrainBlogger: Bộ não sắp xếp ký ức theo thời gian như thế nào?