Herinneringen zijn een van de meest verbazingwekkende, verbazingwekkende en tegelijkertijd weinig bestudeerde resultaten van het werk van de neurofysiologische mechanismen van ons lichaam. Op de een of andere manier maakt de combinatie van het werk van kleine synapsen in onze hersenen en de activering van neuronen die ze gebruiken, afbeeldingen mogelijk van die dingen waarvan we ons herinneren dat ze in ons hoofd verschijnen. De som van al onze herinneringen maakt ons tot wie we zijn. Ze zijn ons in alle opzichten. Zonder hen zouden we ophouden te zijn wie we zijn.
In een van de afleveringen van de Britse sciencefiction-serie "Black Mirror" (die niet heeft gekeken, raad ik het ten zeerste aan), die vertelt over onze mogelijke dystopische toekomst, werd er gezegd over een klein apparaatje dat achter iemands oor wordt geïmplanteerd en die hem niet alleen de mogelijkheid geeft om snel enkele een moment uit het verleden, maar 'speel' dit moment ook in je hoofd in verbazingwekkend heldere details, zoals een filmpje op het scherm voor je ogen.
Theodore Berger, een biomedisch ingenieur aan de University of Southern California, belooft dit niveau van terugroepen niet (wat misschien het beste is), maar werkt al heel lang aan soortgelijke geheugenimplantaten. Het apparaat, dat rechtstreeks in de hersenen wordt geïmplanteerd, kan dankzij een speciale methode van elektrische stimulatie van een deel van de hersenen de functies van de hippocampus imiteren, waardoor herinneringen kunnen worden gevormd. De tests van de eerste modificaties van een dergelijk apparaat werden uitgevoerd op laboratoriummuizen en apen. Volgens de wetenschapper is het tijd om zo'n apparaat op mensen te gaan testen.
Het apparaat van Berger is gebaseerd op de theorie van hoe de hippocampus korte-termijnherinneringen (zoals waar je je sleutels neerlegt) omzet in langetermijngeheugen (je kunt later onthouden waar je ze hebt neergelegd). De wetenschapper voerde zijn vroege experimenten uit op konijnen: eerst speelde hij een bepaald geluid en blies toen in hun gezichten, waardoor ze moesten knipperen. Hij merkte al snel op dat nadat het geluid was gehoord, de konijnen zouden gaan knipperen, zelfs zonder te worden blootgesteld aan de luchtstroom. Berger besloot de activiteit van de hippocampus op dat moment vast te leggen met behulp van een encefalogram (hij verbond elektroden die hersenactiviteit aflezen aan het hoofd van het konijn) en ontdekte dat de konijnen leerden het klinkende geluid te associëren met het verdere effect van de luchtstroom op hen. De encefalogramfoto liet ziendat de signalen in de hippocampus op dit moment op een volledig voorspelbare manier veranderen.
"Door training is de hippocampus actief betrokken geraakt bij het wijzigen van het circuit van impulsen (signalen)", zegt Gregory Clarke, voormalig Berger-student en hoogleraar biomedische technologie aan de Universiteit van Utah (VS).
Berger zelf gaf dit schema van toegepaste pulsen de naam "ruimte-tijdcode". En deze code wordt bepaald door welke neuronen in de hersenen deelnemen aan signaaloverdracht en wanneer precies deze overdracht plaatsvindt.
“De overdracht van de ruimte-tijdcode door de verschillende lagen van de hippocampus in de tijd verandert het in een andere ruimte-tijdcode. We weten nog niet waarom, maar als dat het geval is, is de resulterende tijd-ruimtecode wat de rest van de hersenen kan waarnemen als langetermijngeheugen”, legt Berger uit.
De uitgaande code is een geheugen dat de rest van de hersenen gebruikt als een leesbaar en begrijpelijk signaal. In het geval van konijnen, ze knipperen na het horen van een bepaald geluid. Volgens Berger kon hij een wiskundig model afleiden dat in het algemeen een gedragsregel is voor de hippocampus, die wordt gebruikt om korte-termijnherinneringen om te zetten in lange-termijnherinneringen.
Promotie video:
Met deze algemene regel in de hand creëerde hij een kunstmatige hippocampus voor laboratoriumratten. Hij leerde knaagdieren eerst om geheugengeoriënteerde taken uit te voeren. Hij leerde knaagdieren om een van de twee aangrenzende kleine hendels in te drukken en irriteerde ze vervolgens met een gericht licht. Na een tijdje, toen het getrainde knaagdier terugkeerde naar de taak, leerde Berger hem een andere hendel in te drukken, tegenover degene die de rat aanvankelijk indrukt. Zo werd aangetoond dat het knaagdier zich herinnerde wat er van hem werd verlangd.
Tijdens deze trainingssessies registreerden Berger en zijn collega's de distributie van signalen die door de hippocampus van de knaagdieren gingen, en merkten op dat de ruimte-tijdcodes corresponderen met het geheugen van de taak door op de stokjes te drukken. Wetenschappers hebben informatie verzameld over de signaalcircuits die de hippocampus binnenkomen en verlaten en hebben op basis van deze gegevens een wiskundig model ontwikkeld dat de uitgaande ruimte-tijdcode kan voorspellen die overeenkomt met de oorspronkelijk binnenkomende code. Toen Berger later een medicijn injecteerde dat de geheugenvorming blokkeert bij ratten die zijn getraind om hendels te duwen, gebruikte hij zijn apparaat om de hersenen elektrisch te stimuleren met een patroon van impulsen dat overeenkomt met de uitgaande ruimte-tijdcode die door zijn wiskundige model wordt voorspeld. Het experiment eindigde met groot succes. De ratten drukten op de juiste hendels.
“Hun hersenen verwezen naar de juiste code alsof de code door henzelf was gemaakt. Op deze manier hebben we geleerd om herinneringen terug te brengen naar de hersenen”, zegt Berger.
Berger testte ook de functionaliteit van het implantaat bij resusapen en herstelde hun vermogen om herinneringen op te roepen uit een deel van de prefrontale cortex. Dit gebied is betrokken bij het werk van uitvoerende functies, bijvoorbeeld het gebruik van herinneringen om nieuwe, voorheen niet aangetroffen taken op te lossen. In deze context is aangetoond dat het implantaat ook effectief is bij het verbeteren van de geheugenfunctie van apen.
Maar kan een vergelijkbaar implantaat bij mensen worden gebruikt en zal het werken?
"Al deze implantaten die rechtstreeks in wisselwerking staan met de hersenen, zullen met één fundamenteel probleem worden geconfronteerd", zegt Dustin Tyler, hoogleraar engineering aan de Case Western Reserve University.
“De hersenen hebben miljarden neuronen en biljoenen interneuronale verbindingen (synapsen) waardoor ze kunnen samenwerken. Daarom is het buitengewoon moeilijk om een technologie te vinden die direct kan interageren met zoveel neuronen en deze te combineren om op een redelijk hoog niveau te werken."
Als cochleaire implantaten die een reeks geluidsfrequenties simuleren door de gehoorzenuw door een paar dozijn elektroden te stimuleren, uiteindelijk niet perfect geluid kunnen simuleren, wat kunnen we dan zeggen over zo'n complexer systeem als geheugen? Je moet begrijpen dat wetenschappers op het huidige niveau van methoden en technologieën, die al deze elektroden gebruiken, nog ver verwijderd zijn van de werkelijke mogelijkheid om herinneringen te modelleren. Dit weerhield de nieuwe startup, Kernel, er echter niet van om contact op te nemen met Berger, hem in dienst te nemen, hem hoofd van de onderzoeksafdeling te maken en zijn onderzoek te financieren.
Het oorspronkelijke doel van Kernel was om Berger-implantaten op de markt te brengen als medische hulpmiddelen die mensen met verschillende geheugenproblemen kunnen helpen. Berger voert momenteel klinische onderzoeken uit met zijn implantaat bij vrijwilligers en meldt dat patiënten het goed doen bij geheugentests. Volgens Brian Johnson, CEO van Kernel, wil Kernel in het ideale geval apparaten ontwikkelen die, door middel van eenvoudige en veilige chirurgie, in het menselijk brein geïmplanteerd kunnen worden en de menselijke intelligentie verbeteren op gebieden als aandacht, creativiteit en focus.
Natuurlijk zal een dergelijk resultaat een nieuw werkterrein worden voor verschillende regelgevende instanties en het onderwerp zijn van veel geschillen en vragen: zijn deze apparaten medisch of gewone consumenten? En moeten we hun distributie reguleren? Vanuit het oogpunt van zorgorganisaties, zullen dergelijke apparaten, als ze onder andere de mogelijkheid hebben om ziekten te diagnosticeren of te behandelen of de structuur en het functioneren van lichaamsfuncties beïnvloeden, hoogstwaarschijnlijk als medisch worden beschouwd. Onderhuidse implantaten die iemands concentratie of creativiteit kunnen verbeteren, zullen echter waarschijnlijk aan strikt regelgevend toezicht kunnen ontsnappen en zullen worden gezien als dezelfde reguliere voedingssupplementen die onze hersenen stimuleren.
Johnson zei zelf niet in welke richting zijn bedrijf Kernel zal werken en wat voor soort apparaten het uiteindelijk gaat produceren. Hoogstwaarschijnlijk hangt alles af van het specifieke individuele implantaat, de functies, reikwijdte en mogelijke bijwerkingen. Natuurlijk heeft elk medisch hulpmiddel, zoals elk medicijn, zijn eigen bijwerkingen. Voorlopig kunnen we alleen maar wachten en hopen dat deze bijwerkingen een positieve kant zullen hebben, en niet een nieuwe inspiratie zullen worden voor de nieuwe huiveringwekkende aflevering van de serie "Black Mirror".
NIKOLAY KHIZHNYAK
