Reading specific memories from human neurons before and after sleep

Het menselijk geheugen is geen statische bibliotheek waar bestanden onaangetast op planken liggen; het is een levend, verschuivend proces dat verandert terwijl we onze dagen en nachten doorbrengen. Een van de meest opmerkelijke vermogens van de menselijke geest is het vermogen om een enkele, specifieke gebeurtenis te herinneren na slechts één ervaring, zoals het gezicht van een persoon die kortstondig is ontmoet of een plaats die voor het eerst is bezocht. Wetenschappers weten al lang dat verschillende delen van de hersenen samenwerken om deze momenten op te slaan, maar het begrijpen van de exacte wijze waarop de hersenen een specifieke herinnering coderen en hoe die codering in de loop van de tijd verandert, is tot nu toe een mysterie gebleven. De vraag of we daadwerkelijk de specifieke inhoud van een herinnering rechtstreeks kunnen lezen uit de elektrische activiteit van hersencellen is een belangrijke grens in de neurowetenschap, met implicaties voor het begrijpen van hoe we leren en hoe we op een dag wellicht mensen kunnen helpen die worstelen met het onthouden.

Een nieuwe studie heeft een belangrijke stap gezet richting het beantwoorden van deze vraag door direct te luisteren naar de elektrische signalen van menselijke hersencellen. Onderzoekers werkten met patiënten die al medische monitoring ondergingen voor andere aandoeningen, waarbij ze minuscule elektroden in de hersenen plaatsten om de vuring van individuele neuronen te registrend. Deze patiënten bekeken een enkele, unieke audiovisuele episode — een specifieke videoclip — en werden daarna, na een periode die ook slaap omvatte, gevraagd details uit die video te reproduceren. Het team bouwde een geavanceerd computermodel, een type kunstmatige intelligentie ontworpen om complexe patronen te herkennen, om de elektrische pieken van de neuronen te analyseren. Dit model leerde de specifieke vurende patronen van hersencellen tijdens de initiële waarneming te verbinden met de specifieke concepten die de patiënten later herinnerden, zoals de namen van mensen of plaatsen die ze in de video zagen.

De resultaten onthulden een dynamisch verhaal over hoe herinneringen worden verwerkt en opgeslagen. Wanneer de onderzoekers het model testten op herinneringen die werden opgehaald vóór de slaap, ontdekten ze dat de elektrische activiteit in de mediale temporale kwab, een diep gebied in de hersenen dat bekend staat om zijn rol bij het vormen van nieuwe herinneringen, voldoende was om te voorspellen wat de patiënt zou onthouden. Echter, nadat de patiënten hadden geslapen, veranderde het beeld. Hetzelfde model, wanneer het alleen werd gevoed met gegevens uit de mediale temporale kwab, kon de herinneringen niet langer decoderen. In plaats daarvan verschoof het vermogen om de herinnerde concepten te voorspellen naar de frontale cortex, een gebied aan de voorzijde van de hersenen dat betrokken is bij hogere denkprocessen en organisatie. Het model dat getraind was op signalen uit de frontale cortex werkte goed voor herinneringen die na de slaap werden opgehaald, maar faalde daarin vóór de slaap. Bovendien observeerden de onderzoekers dat hoe beter de frontale cortex de herinnering kon decoderen, hoe meer non-REM-slaap de patiënt had ervaren, wat wijst op een directe link tussen de kwaliteit van de slaap en deze verschuiving in de plek waar de herinnering zich in de hersenen bevindt.

Deze bevindingen suggereren dat een specifieke herinnering niet in één enkele plek in de hersenen is vastgelegd, maar in plaats daarvan verdeeld is over verschillende neuronale populaties, en dat deze verdeling transformeert terwijl we bewegen van waakzaamheid naar slaap. De studie geeft aan dat de hersenen de informatie van een enkele ervaring reorganiseren, waarbij de primaire representatie van die herinnering van diepe geheugencentra naar de frontale cortex wordt verplaatst naarmate de slaap vordert. Dit systeembrede proces impliceert dat de hersenen een bestand niet simpelweg opslaan en met rust laten; ze herschrijven actief de locatie van het herinneringsspoor. Hoewel het onderzoek werd uitgevoerd op een kleine groep patiënten en steunt op modellen die getraind zijn op specifieke data, wijst het vermogen om intern gegenereerde herinneringen te decoderen vanuit hersenactiviteit op een toekomst waarin we mogelijk specifieke herinneringen kunnen versterken of zelfs dempen, wat nieuwe wegen biedt voor de behandeling van stoornissen die invloed hebben op hoe mensen hun leven herinneren.