הכירו את שני המדענים שהשתילו זיכרון שווא בעכבר

זה היה יום לפני חג המולד, ומעבדת ה- MIT העמוסה בדרך כלל ברחוב וסאר בקיימברידג 'הייתה שקטה. אבל יצורים בהחלט ערבבו, כולל עכבר שבקרוב יהיה מפורסם בעולם.

קריאות קשורות

טיילת ירח עם איינשטיין: האמנות והמדע של לזכור הכל

קנה

תוכן קשור

• שתלי מוח עשויים להיות מסוגלים להזעיק זיכרונות פגומים בצורתם

סטיב רמירז, דוקטורנט בן 24 באותה תקופה, הניח את העכבר בקופסת מתכת קטנה עם רצפת פלסטיק שחורה. במקום במקום לרחרח בסקרנות, החיה קפאה מייד באימה, ונזכרה בחוויה של קבלת הלם ברגליים באותה קופסה. זו הייתה תגובת פחד מספרי הלימוד, ואם כבר, תנוחת העכבר הייתה נוקשה יותר מכפי שציפתה רמירז. זיכרונה של הטראומה כנראה היה די חי.

מה שהיה מדהים, מכיוון שהזיכרון היה מזויף: העכבר מעולם לא קיבל הלם חשמלי בתיבה ההיא. במקום זאת, זה הגיב לזיכרון כוזב שרמיירז ועמיתו MIT שו ליו שתלו במוחו.

"חג מולד פריק, " קרא את שורת הנושא של הודעת הדוא"ל שרמירז הורה לליו, שבילה את חופשת 2012 בפארק הלאומי יוסמיטי.

התצפית הגיעה לשיאה של יותר משנתיים של מאמץ מחקר ארוך-יריות ותמכה בהשערה יוצאת דופן: לא רק שניתן היה לזהות תאי מוח המעורבים בקידוד זיכרון בודד, אלא שניתן היה לתפעל את התאים הספציפיים כדי ליצור חדש לגמרי "זיכרון" של אירוע שלא התרחש מעולם.

"זה הישג פנטסטי", אומר האוורד אייכנבאום, חוקר זיכרון מוביל ומנהל המרכז למדעי המוח באוניברסיטת בוסטון, שם עשה רמירז את עבודתו לתואר ראשון. "זו פריצת דרך אמיתית שמראה את כוחן של טכניקות אלה להתייחס לשאלות מהותיות לגבי אופן פעולתו של המוח."

בפריצת דרך במדעי המוח השתיל הצמד זיכרון כוזב בעכבר

הסיכוי להתעסק במדויק עם הזיכרון טרם מדענים במשך שנים. "הרבה אנשים חשבו על הקווים האלה, " אומרת שינה ג'וסלין, מדענת נוירולוגית בכירה בבית החולים לילדים חולים בטורונטו, שחוקרת את יסודות הזיכרון הסלולרי, "אך הם מעולם לא חלמו שהניסויים הללו אכן יעבדו. איש מעולם לא חשב שאתה יכול באמת לעשות זאת. "

למעט רמירז וליו. עבודותיהם השיקו עידן חדש במחקר זיכרון ויכול להוביל ביום מן הימים לטיפולים חדשים בנגעים רפואיים ופסיכיאטריים כמו דיכאון, הפרעת דחק פוסט-טראומטית ומחלת אלצהיימר. "השמיים הם באמת הגבול עכשיו, " אומר ג'וסלין.

אף על פי שהעבודה עד כה נעשתה על עכברי מעבדה, תגליות הצמד פותחות קו מחשבה עמוק יותר לטבע האנושי. אם ניתן לטפל בזכרונות כרצונם, מה המשמעות של עבר? אם אנו יכולים למחוק זיכרון רע, או ליצור זיכרון טוב, כיצד נפתח תחושת עצמי אמיתית? "הזיכרון הוא זהות", כותב הסופר הבריטי ג'וליאן בארנס בספר זכרונותיו ממה לא צריך לפחד. "אתה מה שעשית; מה שעשית זה בזיכרון שלך; מה שאתה זוכר מגדיר מי אתה. "

***

המדענים שואלים: האם נוכל להתערב במצב מדוכא על ידי הפעלה מחדש של זיכרונות חיוביים? (אירווין סרנו) כחמישה אחוזים ממיליון התאים של ג'ירוס השיניים פעילים כאשר עכבר מקודד זיכרון של מקום. כאן, תאים פעילים הם ורודים וכתומים. (שו ליו וסטיב רמירז) בתצוגה זו של מוח העכבר, התאים שסטיב רמירז ויו ליו יכולים לשלוט עליהם באור נראים אדומים. תאים פעילים אחרים הם בירוק. (סטיב רמירז ויו ליו) תאים הפעילים במהלך זיכרון יחיד נבדלים לעתים קרובות בפעילות הגנים שלהם, אדום לעומת ירוק. הבנת ההבדלים עשויה להגביר את היעילות של מניפולציה בזיכרון. (סטיב רמירז ויו ליו) תאים במוח העכבר מסומנים לפי גילם בתמונה זו. תאים מתחת לגיל שלושה שבועות, באדום, כמעט ולא פעילים במהלך היווצרות הזיכרון. (סטיב רמירז ויו ליו)

"תמיד נדהמתי מרמת השליטה שיכולה להיות למדע בעולם", אומר רמירז, שאסף סלעים כילד וזוכר שהדהים אותי שהיו באמת דרכים להבין כמה היו סלעים ישנים. "הדוגמה היא סוג של בנאלי עכשיו, " הוא אומר, "אבל כמין שמנו מישהו על הירח. ואנחנו גילינו לרוב כיצד למגר דברים כמו אבעבועות שחורות, דברים שאתה לא יכול לראות, שאת קיומם אתה צריך להסיק ממדידות עקיפות, עד שהמיקרוסקופים שלך יהיו מספיק טובים. "

מה שרמיירז, כיום בן 26, וליו, 36, הצליחו לראות ולשלוט הם מקבצי הנוירונים המהבהבים, המכונים אנגרמים, שבהם מאוחסנים זיכרונות אישיים. יחד עם כוחות בסוף 2010, חודשים ספורים לאחר שרמירז החל את עבודתו לתואר שני ב- MIT, תכננו השניים שיטה חדשה מורחבת לבדיקת מוח חי בפעולה, מערכת המשלבת ביולוגיה מולקולרית קלאסית ואת התחום המתפתח של האופטוגנטיקה, שבה לייזרים פרוסים כדי לעורר תאים שהונדסו גנטית להיות רגישים לאור.

חמוש בכלים חדישים ומגובה על ידי סוסומו טונגאווה של MIT, חתן פרס נובל על עבודתו באימונולוגיה, שהמעבדה שלהם היו חלק ממנה, יצאו רמירז ויו למסע שהביא לשני מחקרים נקודתיים שפורסמו במשך 16 חודשים מלבד זאת, תקיעות זוהר אל גב שהקדימו את הבנתנו בזיכרון ברמה הסלולרית. רמירז מתאר את התגליות, כפי שהוא עושה כמעט הכל, בזריזות: "העיתון הראשון היה כמו לתפוס ברק בבקבוק, והעיתון השני היה כמו ברק שמכה באותו מקום פעמיים."

התחלה: כיצד יצרו רמירז וליאו זיכרון כוזב בעכבר מעבדה. (5W אינפוגרפיקה)

במחקר הראשון שפורסם ב"טבע " במרץ 2012, רמירז וליו זיהו, תייגו ואז הפעלו מחדש אשכול קטן של תאים המקודד לזיכרון הפחד של העכבר, במקרה זה זיכרון של סביבה בה העכבר קיבל זעזוע כף רגל. ההישג מספק עדות חזקה לתיאוריה ארוכת השנים כי זיכרונות מקודדים באנגלית. רוב הניסיונות הקודמים כלל מעקב אחר הפעילות הכימית או הפעילות החשמלית של תאי המוח במהלך היווצרות הזיכרון. רמירז וליו דחו את אותן שיטות כלא מדויקות מדי. במקום זאת הם הרכיבו מערכת טכניקות בהתאמה אישית כדי להפוך את תאי המוח של העכברים באזור היעד שלהם (חלק מההיפוקמפוס המכונה ג'ירוס הדנטט) רגישים לאור.

בעבודה עם זן מיוחד של עכברי מעבדה מהונדסים גנטית, הצוות הצוות הגירוס הדנטטי עם קוקטייל ביוכימי שכלל גן לחלבון רגיש לאור, channelrhodopsin-2. תאי ג'ירוסים פעילים של שיניים - אלו המשתתפים ביצירת זיכרון - היו מייצרים את החלבון ובכך הופכים לרגישים לאור בעצמם. הרעיון היה שאחרי קידוד הזיכרון, ניתן יהיה להפעיל אותו מחדש על ידי מיפוי תאים אלה באמצעות לייזר.

לשם כך, השתילו רמירז וליו בניתוחים חוטים דקים מהלייזר דרך גולגלות העכברים ולגירוס הדנטטי. הפעלת מחדש של הזיכרון - ותגובת הפחד הנלווית אליו - הייתה הדרך היחידה להוכיח שאכן זיהו ותייגו אנגרמה. החוקרים הקריבו את בעלי החיים לאחר הניסוי ובדקו את רקמות המוח תחת מיקרוסקופ כדי לאשר את קיומם של התאים; תאים המעורבים בזיכרון ספציפי זוהרו בירוק לאחר טיפול בכימיקלים שהגיבו באמצעות channelrhodopsin-2.

כאשר רמירז וליו התבוננו בנוירונים המטופלים דרך המיקרוסקופ, "זה היה כמו לילה זרוע כוכבים", אומר ליו, "איפה אתה יכול לראות כוכבים בודדים." למרות שהתאים הפעילים האלה היו רק חלק אחד מהאנגרם של הלם כף הרגל, די היה בהפעלתם מחדש כדי לעורר תגובה פחד.

השלב הבא היה לתפעל אנגרם ספציפי ליצירת זיכרון כוזב, ניסוי אלגנטי שפורט במאמר השני של רמירז וליאו, שפורסם במדע ביולי 2013. הם הכינו את העכבר, הזריקו את הקוקטייל הביוכימי לגירוס הדנטאט. בשלב הבא הם שמו את העכבר בתיבה בלי לזעזע אותו. ככל שבילה החיה 12 דקות לחקור, זיכרון של חוויה שפירה זו היה מקודד כאנגרם. למחרת הוצב העכבר בתיבה אחרת, שם זיכרון התיבה הראשון (הכספת) הופעל על ידי ירי הלייזר לג'ירוס הדנטאט. באותו רגע מדויק, העכבר קיבל הלם ברגליים. ביום השלישי, העכבר הוחזר לתיבת הכספת - ומיד קפא מפחד. הוא מעולם לא קיבל שם הלם ברגליים, אך זיכרונו השגוי, שנוצר על ידי החוקרים בתיבה אחרת, גרם לו להתנהג כאילו היה.

לא היה שום סיכוי שהעכבר יכול היה לטעות קופסה אחת לאחרת: הם היו צורות וצבעים שונים והיו להם ריחות שונים. רמירז וליאו השתמשו גם בקבוצות בקרה מרובות - פסק את האפשרות כי הבזק הלייזר עצמו ולא הפעלת האגרם גרם לתגובת הפחד למחרת, למשל. הם אכן יצרו זיכרון.

***

ההודעה עוררה טירוף תקשורתי. "מדענים מתחקים אחר זיכרונות מדברים שלא היו ולא נראו" קרא את הכותרת בניו יורק טיימס . רמירז וליו התעוררו באמצע הלילה כדי לנהל ראיונות בשידור חי ברדיו האירופי. הוריו של ליו, בסין, קראו על הישגיו ברשת. הקסם הציבורי מתפקיד זיכרון השווא במשפטים פליליים (שודד הבנקים הגבוה והכהה שראה עד הראייה היה למעשה קצר וקירח) עזר להניע את הסיפור. אך ללא ספק גווני המדע הבדיוני הפכו אותו למרתק במיוחד. בעיני רבים זה היה מאשר אישור רעיונות מוכרים (ומפחידים) מסרטים כמו ראשית ושמש נצחית של המוח חסר הספוט . שום דבר לא כמו שהוא נראה; המציאות איננה אלא חלום; על מי תסמוך, אני או עיניך המשקרות?

לדעת מדעי המוח, תגליתם של רמירז וליו הייתה מהירה לחלוטין. "מבחינתי, מה שהפך אותם למוצלחים היה חוסר הפחד שלהם, " אומר ג'וסלין. "אפשר לדמיין את כל הדברים שיכולים להשתבש, אבל החבר'ה האלה נכנסו לשם, הם קיבלו את הכלים הטובים ביותר, הם השתמשו בסוג המוח הטוב ביותר." אייכנבאום מסכים שהמדענים הצעירים יצאו "על גפה" ולקחו סיכון מרכזי בקריירה שלהם. "הם יכלו לבלות שלוש שנים ובסופו של דבר לא היה יכול להראות לזה", הוא אומר.

הקדישו מעט זמן לרמיירז וליו, ואתם חשים במהירות ביחסם העילאי. הם באים מעולמות שונים - ליו נולד וגדל בשנחאי, בנם של אב מהנדס כימיה ואם שעבדה עבור הרכבת, והוריו של רמירז ברחו ממלחמת האזרחים באל סלבדור בשנות השמונים והתיישבו באוורט, מסצ'וסטס - אך אישיותם המתאימה היטב איננה מקרית. בסתיו 2010, כאשר ליו התראיין עם שותפים פוטנציאליים לחקור את תעלומות הזיכרון עימו, הוא התרכז בתחילה במומחיות מדעית. אולם ככל שחלף הזמן הוא העמיד תכונה שונה בראש רשימת המשאלות שלו - אושר. "אם אתה הולך לשתף פעולה עם אנשים, אתה רוצה לשתף פעולה עם אנשים מאושרים, " אומר ליו. "וסטיב הוא אחד הבחורים המאושרים ביותר שראיתי בחיי." הוא גם מדבר מהירות שסוחט המון מילים לכל נשימה. "הוא לא יכול להפסיק לדבר", מתבדח ליו. "אחרת הוא ימות."

***

כשהיה רמירז היה צעיר, הוא הלך לעתים קרובות למעבדת תנועת בעלי החיים בהרווארד עם אביו, שהחל לנקות שם כלובים ולסחוף רצפות ובהמשך הפך לטכנאי בעלי החיים הראשי. בביקורים במעבדה רמירז ראה לאמות, יענים ויצורים אחרים, ו"אנשים עושים דברים מגניבים עם בעלי חיים, מבצעים מדידות וכאלה. "הוא מגלה שהוא" ספג במתכוון משהו "שעזר לדחוף אותו לעבר המדע.

אבל המוח הוא זה שסגר את העסקה. "בין אם זו הייתה סונטה, או להביא מישהו לירח או להבין את המולקולות הביולוגיות של החיים, כל זה היה תוצר של מוח, של פעילות עצבית, " אומר רמירז ומתאר כיצד האינטרסים הרחבים שלו - בתחום שייקספיר, הנדסה, ביולוגיה ועוד - הובילו אותו לבסוף למדעי המוח. "למה לא ללמוד את זה שהפיק הכל?"

ליו הפגין נטייה מדעית כבר בתחילת החיים. ובעוד שהוא בוודאי לא המדען הראשון שבילה את ילדותו באיסוף חרקים, המסירות של ליו הייתה ייחודית. הוא גידל משפחות של מרבה רגליים, היו לו הרבה חיפושיות מבריקות, והשאיר ארבה בכלובים זעירים. בדרך כלל הוא האכיל את הארבה אדממה אך גילה שפלפלים חריפים גרמו לתגובה מעניינת. "הם היו שרים עוד יותר", הוא אומר. לאחר שלמד ביולוגיה כתואר ראשון באוניברסיטת פודן בשנגחאי, ליו קיבל את הדוקטורט שלו ממכללת ביילור לרפואה ולמד זיכרון בזבוב הפירות.

כנער היה מתעסק במדע בדיוני וכתב רומן בשם האתגר . זה היה על עתיד בו ספורטאים כבר לא התחרו ישירות זה בזה, אלא הם נדרשו למדידות אובייקטיביות שונות של ביצועים או פיזיולוגיה: מהירות, חוזק, יכולת ריאה וכן הלאה. הגיבור רוצה לחזור לתחרות אמיתית ולהחזיר את גורמי המזל והמקריות הבלתי ניתנים לביצוע.

יום אחד באביב האחרון, כאשר ליו רשם את הדברים הרבים שיכולים להשתבש בעבודתו עם רמירז - הם היו יכולים להכות את הגילוי על ידי צוות מתחרה, הם היו יכולים להעלות את החלק השגוי של המוח לאפס בתוך הלאה - הוא אמר שהוא משוכנע שהמזל מילא תפקיד בהצלחתם. אם כך, אמרתי, הרי שיצירתו בבגרותו העבירה את נושא הרומן של ילדותו. "זה מדהים, " אמר לאחר שתיקה ארוכה. "מעולם לא יצרתי את הקשר הזה בין הספר ליצירה הזו, אבל אני חושב שאתה צודק."

יותר משני תריסר מעבדות ברחבי העולם מקיימות פרויקטים שבונים על המחקר של רמירז וליו. אייכנבאום, למשל, מעוניין לשחזר חוויה גדולה יותר, זיכרון שמתרחש לאורך זמן, כמו ניווט במבוך.

בתקופה בה טיפולים במחלות נפש קשות רבות חסרות, היישומים הקליניים הפוטנציאליים של שינוי זיכרון מפתים. "זה די משוגע, " אומר ג'וסלין, שעבודתו מתמקדת במחלת אלצהיימר והפרעות אחרות הקשורות בזיכרון, "אבל אולי מישהו עם אלצהיימר ... אולי נוכל להבין טיפול פשוט להיכנס ולעשות את מה שהחבר'ה האלה עשו בעיתונים שלהם, ומין להפעיל את התאים האלה באופן מלאכותי, להגביר את ההפעלה ולזכור את הזיכרונות טוב יותר. "

ביישום תיאורטי אחר, ניתן להקל על PTSD על ידי הפעלה חוזרת של זיכרון רע שוב ושוב כדי להראות שהזיכרון עצמו אינו מזיק, או על ידי מחיקת המרכיבים הטראומטיים של זיכרון רע ספציפי, או על ידי החלפתו בזיכרון חיובי. לאחר שנבנו על עבודתם של רמירז וליו, אחרים במעבדת טונאווה עשו בדיוק את זה בעכברים זכריים מוקדם יותר השנה, והמירו זיכרון שלילי של הלם כף רגל לזיכרון חיובי של מפגש עם עכבר נקבה.

רמירז, המסיים את לימודי הדוקטורט שלו ב- MIT, וליו, שפונה לאוניברסיטת נורת'ווסטרן כדי להתחיל מעבדה משלו, קיבלו לאחרונה שאלה נוספת בנושא זיכרון גדול: האם אנו יכולים להתערב במצב מדוכא בבעלי חיים על ידי הפעלה מחדש של זיכרונות חיוביים? נראה שהתשובה היא כן. הם בוחנים דגמי עכברים של אנאהדוניה, או אובדן עניין בהנאה, סימפטום לדיכאון. עכברים ניסויים שנמצאים במתח עד שהם כבר לא מחפשים הנאה (כמו לגימה של מי סוכר) מחלימים את התעניינותם כאשר מופעלות מחדש חוויות נעימות. שיעור ההצלחה עד כה הוא 80 אחוז.

"מכיוון שהוכחת העיקרון היא שאנו יכולים להפעיל מחדש באופן מלאכותי זיכרונות וליצור זיכרונות כוזבים אצל בעלי חיים, " אומר רמירז, "הקפיצה היחידה שנותרה שם לבני אדם היא רק חדשנות טכנולוגית."

מה עם החששות האתיים של מניפולציה בזיכרון? פטרישיה צ'רסלנד, פרופסור באוניברסיטת סן דייגו, ומחברת " נגע בעצב: העצמי כמוח", אומרת שטיפול מסוג זה לא יהיה שינוי כה עמוק כמו שזה נראה. זיכרונות אנושיים, לא מדויקים וקלילים מלכתחילה, היו כבר זמן רב מטרת ההתערבות, החל מטיפול קוגניטיבי-התנהגותי ועד הלם אלקטרוני ועד טיפול תרופתי. טיפול במצבים כמו דיכאון ברמת אנגראם "מתמשך עם מה שאנחנו כבר עושים", אומר צ'רצ'לנד, פילוסוף מוביל במדעי המוח.

רמירז סבור כי ניתוח זיכרון הוא בלתי נמנע, אם כי ישנן שאלות רבות שיש להתייחס אליו. כיצד ניתן לעשות זאת בבטחה? באופן לא פולשני? מבחינה אתית? כיצד ייבחרו חולים? כואב כמו שברון לב בדרך כלל, רובנו גם מכירים בכך שזה חלק טבעי, אפילו בריא, מהחיים. ילד בתיכון שרק נפרד מחברתו עשוי להיות לא מועמד טוב לניתוח זיכרון. אבל אנשים הסובלים מדמנציה או דיכאון קשה - האם זה לא אנושי לא להקל על סבלם אם הייתה אפשרית התערבות יעילה ובטוחה בזיכרון?

ההפרצות שעשו רמירז וליאו למכניקת הזיכרון פותחות עולם חדש ורחב של אפשרויות עמוקות, מפחידות, מדהימות - ודחופות. "אנחנו צריכים להתחיל את השיחה אתמול על מה שאנחנו הולכים לעשות כשזה אכן קורה", אומר רמירז, "כדי שנהיה מוכנים ונדע איך להתמודד עם זה."