På en sensommardag 1953 kom en ung man som snart skulle bli känd som patienten H.M. genomgick experimentell operation. I ett försök att behandla hans försvagande anfall tog en kirurg bort delar av hjärnan, inklusive en del av en struktur som kallas hippocampus. Krampen upphörde.

Tyvärr för patienten H.M. så gjorde också tiden det. När han vaknade efter operationen kunde han inte längre bilda nya långvariga minnen trots att han behöll normala kognitiva förmågor, språk och kortvarigt arbetsminne. Patient H.M.s tillstånd avslöjade slutligen att hjärnans förmåga att skapa långvariga minnen är en distinkt process som beror på hippocampus.

Forskare hade upptäckt var minnen skapas. Men hur de görs förblev okända.

Nu har neurovetenskapsmän vid Harvard Medical School (HMS) tagit ett avgörande steg i strävan att förstå biologin i långtidsminnet och hitta sätt att ingripa när minnet underskrider uppträder med ålder eller sjukdom.

Rapportering i naturen den 9 december beskriver de en nyligen identifierad mekanism som neuroner i vuxen mushippocampus använder för att reglera signaler de får från andra nervceller, i en process som verkar kritisk för minneskonsolidering och återkallande.

Studien leddes av Lynn Yap, HMS-doktorand i neurobiologi, och Michael Greenberg, ordförande för neurobiologi vid Blavatnik-institutet vid HMS.

”Minne är väsentlig för alla aspekter av mänsklig existens. Frågan om hur vi kodar minnen som varar en livstid är en grundläggande fråga, och vår studie kommer till hjärtat av detta fenomen, säger Greenberg, HMS Nathan Marsh Pusey professor i neurobiologi och studera motsvarande författare.

Forskarna ob tjänade till att nya upplevelser aktiverar glesa populationer av neuroner i hippocampus som uttrycker två gener, Fos och Scg2. Dessa gener tillåter neuroner att finjustera ingångar från så kallade hämmande interneuroner, celler som dämpar neuronal excitation. På detta sätt kan små grupper av olika nervceller bilda ihållande nätverk med samordnad aktivitet som svar på en upplevelse.

”Denna mekanism gör det möjligt för neuroner att bättre prata med varandra så att nästa gång ett minne behöver kom ihåg, neuronerna avfyras mer synkront, ”sa Yap.” Vi tror att en sammanfallande aktivering av denna Fos-medierade krets potentiellt är en nödvändig funktion för minneskonsolidering, till exempel under sömn, och även minnesåterkallelse i hjärnan. ”

Circuit orchestration

För att skapa minnen måste hjärnan på något sätt koppla en upplevelse till neuroner så att när dessa neuroner återaktiveras kan den första upplevelsen återkallas. I sin studie satte Greenberg, Yap och team ut för att utforska denna process genom att titta på genen Fos.

Först beskrivs i neuronala celler av Greenberg och kollegor 1986, uttrycks Fos inom några minuter efter att en neuron är aktiverad. Forskare har utnyttjat den här egenskapen genom att använda Fos som en markör för ny neuronal aktivitet för att identifiera hjärnceller som reglerar törst, torpor och många andra beteenden.

Forskare antog att Fos kan spela en kritisk roll i inlärningen och minne, men i decennier har genens exakta funktion förblivit ett mysterium.

För att undersöka, exponerade forskarna möss för nya miljöer och tittade på pyramidala nervceller, de viktigaste cellerna i hippocampus. De fann att relativt glesa populationer av neuroner uttryckte Fos efter exponering för en ny upplevelse. Därefter hindrade de dessa neuroner från att uttrycka Fos, med hjälp av ett virusbaserat verktyg som levererades till ett specifikt område av hippocampus, vilket lämnade andra celler opåverkade.

Möss som hade Fos blockerat på detta sätt visade betydande minnesunderskott. när de bedömdes i en labyrint som krävde att de återkallade rumsliga detaljer, vilket indikerar att genen spelar en kritisk roll i minnesbildningen.

Forskarna studerade skillnaderna mellan neuroner som uttryckte Fos och de som inte gjorde det. Med hjälp av optogenetik för att aktivera eller inaktivera ingångar från olika närliggande nervceller upptäckte de att aktiviteten hos Fos-uttryckande neuroner påverkades starkast av två typer av internauroner.

Neuroner som uttrycker Fos befanns få ökad aktivitet- dämpande eller hämmande signaler från en distinkt typ av internuron och minskade hämmande signaler från en annan typ. Dessa signalmönster försvann i neuroner med blockerat Fos-uttryck.

”Det som är kritiskt med dessa internuroner är att de kan reglera när och hur mycket enskilda Fos-aktiverade neuroner skjuter, och även när de skjuter i förhållande till andra neuroner i kretsen, ”sa Yap.” Vi tror att vi äntligen har ett grepp om hur Fos faktiskt kan stödja minnesprocesser, särskilt genom att organisera denna typ av kretsplasticitet i hippocampus.”

Föreställ dig dagen

Forskarna undersökte vidare funktionen hos Fos, som kodar för ett transkriptionsfaktorprotein som reglerar andra gener. De använde enkelcells-sekvensering och ytterligare genomiska skärmar för att identifiera gener aktiverade av Fos och fann att en gen i synnerhet, Scg2, spelade en kritisk roll för att reglera inhiberande signaler.

Hos möss med experimentellt tystade Scg2, Fos -aktiverade nervceller i hippocampus visade en defekt i signalering från båda typerna av internauroner. Dessa möss hade också defekter i teta- och gammarytmer, hjärnegenskaper som tros vara kritiska inslag i inlärning och minne.

Tidigare studier har visat att Scg2 kodar för ett neuropeptidprotein som kan klyvas i fyra olika former, som sedan utsöndras. I den aktuella studien upptäckte Yap och kollegor att neuroner verkar använda dessa neuropeptider för att finjustera ingångar de får från interneuroner.

Tillsammans föreslår teamets experiment att en liten grupp neuroner efter en ny upplevelse samtidigt uttrycka Fos, aktivera Scg2 och dess härledda neuropeptider, för att skapa ett samordnat nätverk med dess aktivitet reglerad av interneuroner.

”När neuroner aktiveras i hippocampus efter en ny upplevelse är de inte nödvändigtvis kopplade ihop på något särskilt sätt i förväg, ”sade Greenberg.” Men internuroner har mycket breda axonala arbors, vilket innebär att de kan ansluta till och signalera till många celler samtidigt. Det här kan vara hur en gles grupp neuroner kan länkas ihop för att i slutändan koda ett minne. ”

Studieresultaten representerar en möjlig molekyl- och kretsnivåmekanism för långtidsminne. De belyser den grundläggande biologin i minnesbildningen och har vida konsekvenser för sjukdomar med minnesdysfunktion.

Forskarna noterar dock att även om resultaten är ett viktigt steg i vår förståelse av det inre arbetet med minne kvarstår många obesvarade frågor om de nyligen identifierade mekanismerna.

”Vi är inte riktigt på svaret ännu, men vi kan nu se många av de nästa steg som måste vidtas,” sade Greenberg. ”Om vi bättre kan förstå den här processen kommer vi att få nya handtag om minnet och hur vi kan ingripa när saker går fel, oavsett om det är åldersrelaterat minnesförlust eller neurodegenerativa störningar som Alzheimers sjukdom.”

Resultaten representerar också kulminationen på årtionden av forskning, även när de öppnar nya studievägar som sannolikt kommer att ta årtionden mer att utforska, tillade Greenberg.

”Jag anlände till Harvard 1986, precis som mitt papper som beskriver upptäckten att neuronal aktivitet kan aktivera gener publicerades, ” han sa. ”Sedan dess har jag föreställt mig dagen när vi skulle ta reda på hur gener som Fos kan bidra till långtidsminnet.”

Ytterligare författare inkluderar Noah Pettit, Christopher Davis, M. Aurel Nagy , David Harmin, Emily Golden, Onur Dagliyan, Cindy Lin, Stephanie Rudolph, Nikhil Sharma, Eric Griffith och Christopher Harvey.

Studien stöddes av National Institutes of Health (bidrag R01NS028829, R01NS115965, R01NS089521 , T32NS007473 och F32NS112455), ett Stuart-huvudkontor och Victoria Quan-stipendium, en Harvard-institution för neurobiologi-stipendium, en Aramont-fond.