Cum leaga creierul evenimentele pentru a forma o memorie? Studiul dezvaluie procese mentale neasteptate.

O femeie care merge pe strada aude o bubuitura. Cateva momente mai tarziu, ea descopera ca iubitul ei, care mergea inaintea ei, a fost impuscat. O luna mai tarziu, femeia intra in Camera primiri urgente. Zgomotele facute de camioanele de gunoi, spune ea, provoaca atacuri de panica. Creierul ei formase o legatura profunda si de durata intre sunetele puternice si privelistea devastatoare la care a fost martora.

Aceasta poveste, relatata de psihiatrul clinic si co-autor al unui nou studiu, Mohsin Ahmed, doctor in medicina, doctor in filosofie, este un exemplu puternic al capacitatii creierului de a-si aminti si conecta evenimentele separate in timp. Si acum, in noul studiu pe soareci publicat recent in Neuron, oamenii de stiinta de la Institutul Zuckerman din Columbia s-au concentrat asupra modului in care creierul poate forma astfel de legaturi durabile..

Oamenii de stiinta au descoperit un mecanism surprinzator prin care hipocampul, o regiune cerebrala critica pentru memorie, construieste punti de-a lungul timpului: prin arderea unor explozii care par intamplatoare, dar alcatuiesc, de fapt, un model complex care, in timp, ajuta creierul sa invete asocierile. Prin relevarea circuitelor subiacente din spatele invatarii asociative, rezultatele pun bazele unei mai bune intelegeri a anxietatii si a tulburarilor legate de traume si de stres, cum ar fi tulburarea de panica si tulburarea de stres posttraumatic, in care un eveniment aparent neutru poate provoca un raspuns negativ.

„Stim ca hipocampul este important in formele de invatare care implica legarea a doua evenimente care se petrec chiar si la 10- 30 secunde distanta”, a declarat Attila Losonczy, doctor in medicina, doctor in filosofie, investigator principal la Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute din Columbia si autorul co-senior al lucrarii. „Aceasta abilitate este o cheie pentru supravietuire, dar mecanismele din spatele ei s-au dovedit evazive. Cu studiul de astazi pe soareci, am cartografiat calculele complexe pe care creierul le intreprinde pentru a lega evenimente distincte care sunt separate in timp.”

Hipocampul – o regiune mica, in forma de calut de mare, ingropata adanc in creier – este un sediu important pentru invatare si memorie. Experimentele anterioare pe soareci au aratat ca intreruperea hipocampului aduce animalelor probleme in ce priveste invatarea de a asocia doua evenimente separate de zeci de secunde.

„Opinia prevalenta a fost ca celulele din hipocamp pastreaza un nivel de activitate persistenta pentru a asocia astfel de evenimente”, a spus dr. Ahmed, profesor asistent de psihiatrie clinică la Colegiul Vagelosal Medicilor si Chirurgilor din Columbia si co-prim autor al studiului de astazi. „Dezactivarea acestor celule ar perturba astfel invatarea.”

Pentru a testa acest punct de vedere traditional, cercetatorii au facut reprezentatii ale hipocampului la soareci, intrucat animalele au fost expuse la doi stimuli diferiti: un sunet neutru urmat de un puf de aer mic, dar neplacut. O intarziere de cincisprezece secunde a separat cele două evenimente. Oamenii de stiinta au repetat acest experiment pe parcursul mai multor studii. De-a lungul timpului, soarecii au invatat sa asocieze tonul cu puful de aer care urmeaza curand. Folosind microscopie avansata cu doi fotoni si imagistica functionala a calciului, au inregistrat activitatea a mii de neuroni, un tip de celula a creierului, in hipocampul animalelor, simultan pe parcursul fiecarui studiu timp de mai multe zile.

„Cu aceasta abordare, am putea imita, desi intr-un mod mai simplu, procesul la care sunt supuse creierele noastre atunci cand invatam sa conectam doua evenimente”, a spus dr. Losonczy, care este și profesor de neurostiinta la Colegiul Medicilor si Chirurgilor din Columbia.

Pentru a intelege informatiile pe care le-au colectat, cercetatorii au facut echipa cu neurologii care dezvolta instrumente matematice puternice pentru a analiza cantitati vaste de date experimentale.

„Ne-am asteptat sa vedem o activitate neurala repetitiva, continua, care a persistat in decalajul de cincisprezece secunde, o indicatie a activitatii hipocampului, care leaga tonul auditiv si puful de aer”, a spus Stefano Fusi, neurologul de calcul, , doctor in filosofie, un investigator principal la Institutul Columbia Zuckerman si autorul principal al lucrarii. „Dar cand am inceput sa analizam datele, nu am vazut o astfel de activitate.”

In schimb, activitatea neuronala inregistrata in decalajul de cincisprezece secunde a fost redusa. Doar un numar mic de neuroni au tras si au facut acest lucru aparent la intamplare. Aceasta activitate sporadica arata distinct diferit de activitatea continua pe care creierul o afiseaza in timpul altor sarcini de invatare si memorie, cum ar fi memorarea unui numar de telefon.

„Activitatea pare sa se potriveasca si sa explodeze la perioade de timp intermitente si aleatorii pe parcursul sarcinii”, a declarat James Priestley, candidat la doctorat co-mentorat de Drs. Losonczy si Fusi la Institutul Zuckerman din Columbia si co-primul autor al lucrarii. „Pentru a intelege activitatea, a trebuit sa schimbam modul in care am analizat datele si să folosim instrumente concepute pentru a da sens proceselor aleatorii.”

In cele din urma, cercetatorii au descoperit un model in aleatoriu: un stil de calcul mental care pare a fi un mod remarcabil de eficient prin care neuronii stocheaza informatii. In loc sa comunice intre ei in mod constant, neuronii economisesc energie – poate prin codificarea informatiilor in conexiunile dintre celule, numite sinapse, mai degraba decat prin activitatea electrica a celulelor.

„Ne-am bucurat sa vedem ca al nostru creier nu mentine activitatea continua in toate aceste secunde, deoarece, din punct de vedere metabolic, nu este cel mai eficient mod de a stoca informatii”, a spus dr. Fusi, care este si profesor de neurostiinta la Colegiul Vagelos al Medicilor si Chirurgilor din Columbia. „Creierul pare sa aiba o modalitate mai eficientă de a construi acest pod, ceea ce banuim ca ar putea implica schimbarea fortei sinapselor.”

Pe langa faptul ca ajuta la cartografierea circuitelor implicate in invatarea asociativa, aceste descoperiri ofera, de asemenea, un punct de plecare pentru a explora mai profund tulburarile care implica disfunctii in memoria asociativa, cum ar fi panica si tulburarea de stres pos-ttraumatic.

„In timp ce studiul nostru nu modeleaza explicit sindroamele clinice ale uneia dintre aceste tulburari, acesta poate fi imens informativ”, a spus dr. Ahmed, care este si membru al laboratorului Losonczy de la Institutul Zuckerman din Columbia. „De exemplu, ne poate ajuta sa modelam unele aspecte a ceea ce se poate intampla in creier atunci cand pacientii se confrunta cu o asociere tematoare intre doua evenimente care, in cazul altor persoane, nu ar provoca spaima sau panica.