Již od Platóna a Aristotela se lidé domnívali, že naše vzpomínky musí být něco fyzického, co je uloženo někde v mozku. Ale teprve v moderní době jsme se dozvěděli mnoho o tom, co to něco je. Nejprve bylo toto něco pojmenováno: paměťový engram. Poté, jak se hromadily poznatky o tom, co se děje v neuronech a jejich synapsích, když se aktivují při učení a zapamatování, bylo jasné, že události učení, které si lze zapamatovat, způsobují chemické a fyzikální změny ve spojích (synapsích) mezi neurony, které se na učení podílejí.
Zúčastněným neuronům rostou nové dendritické větve (nazývané trny) a synapse na těchto trnech se zvětšují a jejich neurotransmiterové systémy se posilují. Tyto změny tvoří engram. Reaktivace synapsí držících takový engram po učení může vyvolat vzpomínku na původní učení, které engram vytvořilo.
V počátcích neurovědy se vědci domnívali, že zkušenosti s učením přiřazují nebo rekrutují určité části mozku, aby udržovaly paměť. Experimentátor Karl Lashley učil laboratorní zvířata určité úkoly a poté jim v narkóze ničil různé části neokortexu v naději, že zjistí, kde je paměť uložena. Nepodařilo se mu najít žádné konkrétní místo uložení. Zjistil však, že čím rozsáhlejší korové léze provedl, tím spíše dokázal paměť vymazat. Jinými slovy, zdálo se, že paměť na danou zkušenost byla dekonstruována a rozparcelována do různých oblastí.
Poté přišly kvantitativní studie EEG E. Roye Johna, při nichž sledoval umístění elektrických reakcí vyvolaných mozkem v různých částech mozkové kůry během zkušeností s učením. Zjistil, že daný zážitek z učení vyvolá elektrické odezvy v několika částech mozkové kůry, což opět naznačuje dekonstrukci a distribuci paměťových engramů. To ho vedlo ke slavnému prohlášení: „Paměť není věc na určitém místě, ale proces v populaci.“
No, my víme, že je to trochu přehnané tvrzení. Existuje něco jako paměťový engram, který je uložen na určitých místech. Nicméně existuje distribuční proces pro vytvoření engramu na více místech a pro jejich uspořádání do současné a koordinované aktivity během vyvolávání vzpomínky.
Moderní genové inženýrství a technologie barvení neuronů poskytují nové výkonné nástroje pro zkoumání neuronů, které se podílejí na spojování engramů zapojených do nervových obvodů. Nyní existují způsoby, jak zobrazovat a manipulovat s engramy na úrovni neuronálních souborů. Několik linií důkazů ukazuje, že neurony engramů lze zobrazit histologicky a vyhodnotit v rámci různých experimentálních přístupů.
Například histologická barvení odhalující neurony, které jsou aktivovány zkušeností s učením, ukazují, že jsou aktivní i během obnovování paměti na tuto zkušenost. Za druhé, studie ztráty funkce ukazují, že narušení funkce engramových neuronů po zážitku zhoršuje následné obnovení paměti. Zatřetí studie ukazují, že obnovení paměti může být vyvoláno optogenetickou stimulací neuronů engramu při absenci jakýchkoli přirozených smyslových signálů pro obnovení paměti.
Základní přístup, který použili badatelé v laboratoři Susumu Tonegawy, spočíval v tom, že naučili myši vyhýbat se vstupu do komory, v níž měly dostat mírný elektrický šok. Neurony, které jsou aktivovány tímto podmiňováním strachu, fluoreskují v imunohistologických barveních mozkových řezů myší, které byly usmrceny v různé době po učení, odhalují paměťový engram, který se nachází ve vybraných neuronech v amygdale (která zpracovává informace o strachu), v hipokampu (který převádí krátkodobou paměť na dlouhodobou) a v několika oblastech neokortexu (který uchovává dlouhodobou paměť v podobě zvýšené synaptické schopnosti). Některé z těchto buněk fluoreskují i po mnoha dnech, což naznačuje, že se staly součástí souboru neuronů engramů, které uchovávají relativně trvalou reprezentaci původního naučeného zážitku.
Další myši byly geneticky upraveny tak, aby buňky engramů fluoreskovaly a aktivovaly se při vystavení světlu dodávanému prostřednictvím mikrovláknových optických kabelů chirurgicky implantovaných do různých oblastí neokortexu. Taková světelná stimulace engramových buněk potvrdila jejich engramový status, protože samotná světelná stimulace vyvolala dříve naučené chování (ztuhnutí na místě namísto vstupu do šokové komory). Klíčovým zjištěním bylo, že engramové neurony v prefrontální kůře byly brzy po naučení „němé“ – mohly iniciovat zmrazovací chování, když byly uměle aktivovány světlem dodaným prostřednictvím chirurgicky implantovaných optických vláken, ale při přirozeném vyvolání vzpomínky se nezapálily. Jinými slovy, paměťový engram se vytvořil hned na všech třech místech (v amygdale, hipokampu a neokortexu), ale buňky engramu v neokortexu musely časem dozrát, aby se staly plně funkčními.
V průběhu následujících dvou týdnů neurony engramu v neokortexu postupně dozrávaly, což se projevilo změnami v jejich anatomii a fyziologické aktivitě. Na konci téhož období se engramové buňky hipokampu odmlčely a přestaly být využívány k přirozenému vybavování. V tomto okamžiku si myši mohly událost vybavit přirozeně, bez aktivace neokortikálních buněk optickým světlem. Stopy vzpomínky však zůstaly v hipokampu, protože reaktivace těchto hipokampálních neuronů světlem přiměla zvířata k zamrznutí.
V minulosti převládal názor, že zkušenosti z učení jsou dočasně uchovávány v obvodech v hipokampu a později exportovány do jiných částí mozku ke konečnému uložení. V minulosti i nyní vše nasvědčuje tomu, že hipokampus je klíčový pro vytváření trvalých vzpomínek na zážitky, které nezahrnují motorické učení, ale mechanismy byly nejisté. Neurovědci sice věděli, že dlouhodobé vzpomínky se ukládají mimo hipokampus, protože lidé s poškozením hipokampu mohou ztratit schopnost vytvářet nové dlouhodobé vzpomínky, ale stále jsou schopni vybavit si staré vzpomínky.
Nový výzkum nyní naznačuje, že paměťové engramy nejsou přenášeny z hipokampu do neokortexu, ale jsou přítomny na obou místech na počátku učení. Paměťový engram v neokortexu pouze potřebuje dozrát, aby se vzpomínka stala trvalejší. Navíc hipokampus nemůže a ani nemusí uchovávat dlouhodobé engramy.
Přestože se jedná o nový způsob uvažování o mechanismech, jak se dočasné vzpomínky konsolidují v dlouhodobé, konvenční představa o konsolidaci zůstává potvrzena. To znamená, že paměťový engram musí časem dozrát v podobě biochemických a anatomických změn v buňkách engramu. Je zřejmé, že takový proces zrání by byl narušen, pokud by tytéž engramové buňky byly rekrutovány pro jiné účely učení dříve, než dokončí své zrání jako specifický paměťový engram. To také pomáhá vysvětlit, proč následné nácviky pomáhají, aby vzpomínky vydržely déle, protože každý nácvik znovu zapojuje neurony engramu do stejného druhu činnosti, jakou vykonávaly během učení, a posiluje tak příslušné synapse.
Po vytvoření vzpomínek u myší podmíněných strachem zůstaly buňky engramu v amygdale v průběhu experimentu nezměněny. Tyto buňky, které jsou nezbytné k vyvolání emocí spojených s konkrétními vzpomínkami, jako je v tomto případě strach ze vstupu do šokové komory, komunikují s engramovými buňkami v hipokampu i prefrontální kůře.
Nevíme, co se děje s engramovými buňkami specifickými pro vzpomínky v hipokampu. Možná, že jak postupně ztrácejí status engramu, stávají se dostupnými pro zpracování nových druhů učebních zkušeností. Možná, že některé stopy engramu zůstávají v hipokampu a jsou přístupné pro reaktivaci, pokud jsou přijímány vysoce relevantní vstupy, jak by tomu mohlo být v případě silných paměťových signálů. Důležité možná je, že tyto nové techniky označování engramových buněk otevírají dveře novým způsobům studia vyhledávání paměti, což je dlouho opomíjený aspekt paměťových mechanismů.
Dalším potenciálně důležitým zjištěním tohoto druhu výzkumu je, že paměťové engramy se mohou poškodit, ale stále mohou existovat ve formě, kterou nelze obnovit přirozenou cestou. Skutečnost, že takové „tiché“ engramy lze obnovit přímou optogenetickou stimulací, naznačuje, že neúspěšné vyvolání nemusí nutně znamenat, že paměť je ztracena. Problém může spočívat v nedostatečnosti přirozených paměťových signálů, které se používají k vyvolání obnovení paměti.
Dveře jsou nyní otevřené i pro experimenty, které by mohly posunout naše chápání zrání neuronů engramů v neokortexu. Dosud je známo, že zrání vyžaduje počáteční komunikaci s engramovými buňkami v hipokampu. Narušení hipokampálních spojení mezi hipokampem a frontální kůrou brání dozrávání neokortikálních engramových buněk.