לפני כמעט 50 שנה, מדעני מוח גילו תאים בתוך ההיפוקמפוס של המוח המאחסנים זיכרונות של מיקומים ספציפיים. תאים אלה ממלאים גם תפקיד חשוב באחסון זיכרונות של אירועים, הידועים כזיכרונות אפיזודיים. בעוד שמנגנון האופן שבו תאי מקום מקודדים זיכרון מרחבי אופיין היטב, זה נשאר בגדר חידה כיצד הם מקודדים זיכרונות אפיזודיים.
מודל חדש שפותח על ידי חוקרי MIT מסביר כיצד ניתן לגייס את תאי המקום הללו ליצירת זיכרונות אפיזודיים, גם כאשר אין מרכיב מרחבי. לפי מודל זה, תאי מקום, יחד עם תאי רשת המצויים בקליפת המוח האנטורינאלית, פועלים כפיגום שניתן להשתמש בו כדי לעגן זיכרונות כסדרה מקושרת.
"המודל הזה הוא מודל טיוטה ראשונה של מעגל הזיכרון האפיזודי האנטורינל-היפוקמפוס. זה בסיס שאפשר להתבסס עליו כדי להבין את טבעו של הזיכרון האפיזודי. זה הדבר שאני ממש מתרגש ממנו", אומרת אילה פייטה, פרופסור ל- מדעי המוח והקוגניציה ב-MIT, חבר במכון McGovern לחקר המוח של MIT, והמחבר הבכיר של המחקר החדש.
המודל משכפל במדויק כמה מאפיינים של מערכות זיכרון ביולוגיות, כולל קיבולת האחסון הגדולה, השפלה הדרגתית של זיכרונות ישנים, והיכולת של אנשים שמתחרים בתחרויות זיכרון לאחסן כמויות אדירות של מידע ב"ארמונות זיכרון".
מדען המחקר של MIT Sarthak Chandra וסוגנדה שארמה PhD '24 הם הכותבים הראשיים של המחקר, המופיע היום ב טֶבַע. Rishidev Chaudhuri, עוזר פרופסור באוניברסיטת קליפורניה בדייוויס, הוא גם מחבר המאמר.
אינדקס זיכרונות
כדי לקודד זיכרון מרחבי, תאי מקום בהיפוקמפוס עובדים בשיתוף פעולה הדוק עם תאי רשת – סוג מיוחד של נוירון שיורה במקומות רבים ושונים, המסודרים בצורה גיאומטרית בתבנית קבועה של משולשים חוזרים. יחד, אוכלוסייה של תאי רשת יוצרת סריג של משולשים המייצגים מרחב פיזי.
בנוסף לעזרה לנו להיזכר במקומות שבהם היינו, המעגלים ההיפוקמפוס-אנטורינאליים האלה גם עוזרים לנו לנווט במיקומים חדשים. ממטופלים אנושיים, ידוע שמעגלים אלו קריטיים גם ליצירת זיכרונות אפיזודיים, שעשויים להיות להם מרכיב מרחבי אך מורכבים בעיקר מאירועים, כמו איך חגגת את יום ההולדת האחרון שלך או מה אכלת אתמול לארוחת צהריים.
"אותם מעגלים ההיפוקמפוס והאנטורינאלי משמשים לא רק לזיכרון מרחבי, אלא גם לזיכרון אפיזודי כללי", אומר פיטה. "השאלה שאתה יכול לשאול היא מה הקשר בין הזיכרון המרחבי והאפיזודי שגורם להם לחיות באותו מעגל?"
הוצעו שתי השערות כדי להסביר חפיפה זו בתפקוד. האחת היא שהמעגל מתמחה לאחסן זיכרונות מרחביים מכיוון שסוגי זיכרונות אלה – לזכור היכן נמצא מזון או היכן נראו טורפים – חשובים להישרדות. לפי השערה זו, מעגל זה מקודד זיכרונות אפיזודיים כתוצר לוואי של זיכרון מרחבי.
השערה חלופית מציעה שהמעגל מתמחה באחסון זיכרונות אפיזודיים, אך גם מקודד זיכרון מרחבי מכיוון שהמיקום הוא היבט אחד של זיכרונות אפיזודיים רבים.
בעבודה זו, פיטה ועמיתיה הציעו אפשרות שלישית: שמבנה הריצוף המיוחד של תאי רשת והאינטראקציות שלהם עם ההיפוקמפוס חשובים באותה מידה עבור שני סוגי הזיכרון – אפיזודי ומרחבי. כדי לפתח את המודל החדש שלהם, הם בנו על מודלים חישוביים שפיתחה המעבדה שלה בעשור האחרון, המחקים את האופן שבו תאי רשת מקודדים מידע מרחבי.
"הגענו לנקודה שבה הרגשתי שאנחנו מבינים ברמה מסוימת את המנגנונים של מעגל תאי הרשת, אז זה הרגיש כמו הזמן לנסות להבין את האינטראקציות בין תאי הרשת והמעגל הגדול יותר שכולל את ההיפוקמפוס", אומר פייטה. .
במודל החדש, החוקרים שיערו שתאי רשת המקיימים אינטראקציה עם תאי ההיפוקמפוס יכולים לשמש כפיגום לאחסון זיכרון מרחבי או אפיזודי. כל דפוס הפעלה בתוך הרשת מגדיר "באר", והבארות הללו מרווחות במרווחי זמן קבועים. הבארות אינן מאחסנות את התוכן של זיכרון ספציפי, אלא כל אחת מהן פועלת כמצביע לזיכרון ספציפי, המאוחסן בסינפסות שבין ההיפוקמפוס לקליפת המוח החושית.
כאשר הזיכרון מופעל מאוחר יותר מחלקים מקוטעים, אינטראקציות רשת ותאים בהיפוקמפוס מניעות את מצב המעגל אל הבאר הקרובה ביותר, והמצב בתחתית הבאר מתחבר לחלק המתאים של קליפת המוח כדי למלא את פרטי הזיכרון . הקורטקס החושי גדול בהרבה מההיפוקמפוס ויכול לאחסן כמויות עצומות של זיכרון.
"מבחינה קונספטואלית, אנו יכולים לחשוב על ההיפוקמפוס כעל רשת מצביעים. זה כמו אינדקס שניתן להשלים באמצעות תבנית מקלט חלקי, והאינדקס הזה מצביע לאחר מכן לעבר קליפת המוח החושית, שם התשומות הללו נחוו מלכתחילה", פייטה. אומר. "הפיגום אינו מכיל את התוכן, הוא מכיל רק את האינדקס הזה של מצבי פיגום מופשטים."
יתר על כן, אירועים המתרחשים ברצף יכולים להיות מקושרים יחד: כל באר ברשת תא-היפוקמפוס רשת מאחסנת ביעילות את המידע הדרוש להפעלת הבאר הבאה, ומאפשרת לאחזר זיכרונות בסדר הנכון.
דוגמנות צוקי זיכרון וארמונות
המודל החדש של החוקרים משכפל כמה תופעות הקשורות לזיכרון בצורה הרבה יותר מדויקת מאשר מודלים קיימים המבוססים על רשתות הופפילד – סוג של רשת עצבית שיכולה לאחסן ולזכור דפוסים.
בעוד שרשתות הופפילד מציעות תובנה כיצד ניתן ליצור זיכרונות על ידי חיזוק הקשרים בין נוירונים, הן אינן מדגימות באופן מושלם את אופן פעולת הזיכרון הביולוגי. בדגמי הופפילד, כל זיכרון נזכר בפירוט מושלם עד שמגיעים לקיבולת. בשלב זה, לא יכולים להיווצר זיכרונות חדשים, וחמור מכך, הניסיון להוסיף עוד זיכרונות מוחק את כל הזכרונות הקודמים. "צוק הזיכרון" הזה לא מחקה במדויק את מה שקורה במוח הביולוגי, שנוטה לשכוח בהדרגה את הפרטים של זיכרונות ישנים, בעוד חדשים מתווספים ללא הרף.
המודל החדש של MIT לוכד ממצאים מעשרות שנים של הקלטות של תאי רשת ותאי ההיפוקמפוס במכרסמים שנעשו בזמן שהחיות חוקרות ומחפשות מזון בסביבות שונות. זה גם עוזר להסביר את המנגנונים הבסיסיים לאסטרטגיית שינון המכונה ארמון זיכרון. אחת המשימות בתחרויות זיכרון היא לשנן את רצף הקלפים המעורב בחפיסת קלפים אחת או כמה. הם בדרך כלל עושים זאת על ידי הקצאת כל כרטיס למקום מסוים בארמון זיכרון – זיכרון של בית ילדות או סביבה אחרת שהם מכירים היטב. כאשר הם צריכים לזכור את הקלפים, הם מטיילים נפשית בבית, ומדמיינים כל קלף במקום שלו תוך כדי. באופן מנוגד לאינטואיציה, הוספת עומס הזיכרון של שיוך כרטיסים למיקומים הופכת את הזכירה לחזקה ואמינה יותר.
המודל החישובי של צוות MIT הצליח לבצע משימות כאלה בצורה טובה מאוד, מה שמרמז שארמונות זיכרון מנצלים את האסטרטגיה של מעגל הזיכרון עצמו של שיוך תשומות עם פיגום בהיפוקמפוס, אבל רמה אחת למטה: זיכרונות שנרכשו מזמן משוחזרים בחושי הגדול יותר. כעת ניתן להפעיל את הקורטקס כפיגום לזיכרונות חדשים. זה מאפשר אחסון וזיכרון של הרבה יותר פריטים ברצף ממה שהיה אפשרי אחרת.
החוקרים מתכננים כעת להתבסס על המודל שלהם כדי לחקור כיצד זיכרונות אפיזודיים יכולים להפוך לזיכרון "סמנטי" קורטיקלי, או לזיכרון של עובדות מנותקות מההקשר הספציפי שבו הם נרכשו (לדוגמה, פריז היא בירת צרפת) , כיצד אפיזודות מוגדרות, וכיצד ניתן לשלב מודלים של זיכרון דמוי מוח לתוך למידת מכונה מודרנית.
המחקר מומן על ידי המשרד האמריקאי לחקר הצי, הקרן הלאומית למדע במסגרת תוכנית המודיעין החזקה, פרס ARO-MURI, קרן סימונס ומרכז K. Lisa Yang ICoN.
