Już w czasach Platona i Arystotelesa ludzie wierzyli, że nasze wspomnienia musiały być fizycznymi rzeczami, które były przechowywane gdzieś w mózgu. Ale dopiero w czasach nowożytnych dowiedzieliśmy się wiele o tym, czym jest to coś. Najpierw temu czemuś nadano nazwę: engram pamięciowy. Następnie, w miarę gromadzenia wiedzy o tym, co dzieje się w neuronach i ich synapsach, gdy stają się aktywne w procesie uczenia się i zapamiętywania, stało się jasne, że wydarzenia związane z uczeniem się, które można zapamiętać, powodują chemiczne i fizyczne zmiany w połączeniach (synapsach) między neuronami, które uczestniczą w uczeniu się.
Uczestniczące neurony wyrastają nowe gałęzie dendrytyczne (zwane kolcami), a synapsy na tych kolcach powiększają się, a ich systemy neuroprzekaźników ulegają wzmocnieniu. Zmiany te składają się na engram. Po nauce reaktywacja synaps utrzymujących taki engram może spowodować przypomnienie sobie oryginalnego uczenia się, które stworzyło engram.
W początkach neuronauki naukowcy wierzyli, że doświadczenia związane z uczeniem się przypisują lub rekrutują pewne części mózgu do przechowywania pamięci. Pewien eksperymentator, Karl Lashley, nauczył zwierzęta laboratoryjne pewnych zadań, a następnie, pod znieczuleniem, zniszczył różne części neocortex w nadziei znalezienia miejsca, w którym pamięć była przechowywana. Nie udało mu się znaleźć żadnego konkretnego miejsca przechowywania. Odkrył natomiast, że im bardziej rozległe były uszkodzenia kory mózgowej, tym większe było prawdopodobieństwo, że uda mu się wymazać pamięć. Innymi słowy, pamięć danego doświadczenia wydawała się być zdekonstruowana i podzielona na różne regiony.
Potem przyszły ilościowe badania EEG przeprowadzone przez E. Roya Johna, w których śledził on lokalizację wywołanych elektrycznie odpowiedzi mózgu w różnych częściach kory mózgowej podczas doświadczeń związanych z uczeniem się. Zauważył, że dane doświadczenie uczenia się będzie produkować odpowiedzi elektryczne w kilku częściach kory, ponownie sugerując dekonstrukcji i dystrybucji engramów pamięciowych. To doprowadziło go do słynnego stwierdzenia: „Pamięć nie jest rzeczą w miejscu, ale procesem w populacji”.
Wiemy, że jest to trochę przesada. Istnieje coś takiego jak engram pamięciowy, który jest przechowywany w określonych miejscach. Niemniej jednak, nie jest proces dystrybucji do tworzenia engramu w wielu miejscach i do orkiestracji ich do jednoczesnej i skoordynowanej działalności podczas recall of the memory.
Nowoczesna inżynieria genetyczna i neuron-barwienia technologii zapewniają potężne nowe narzędzia do badania neuronów, które uczestniczą w łączeniu obwodów neuronowych-zaangażowanych engramów. Istnieją obecnie sposoby obrazowania i manipulowania engramami na poziomie zespołów neuronów. Kilka linii dowodów pokazuje, że neurony engramu mogą być widoczne histologicznie i oceniane w różnych podejściach eksperymentalnych.
Na przykład, plamy histologiczne ujawniające neurony, które są aktywowane przez doświadczenie uczenia się pokazują, że są one również aktywne podczas odzyskiwania pamięci z tego doświadczenia. Po drugie, badania nad utratą funkcji pokazują, że upośledzenie funkcji neuronów engramowych po doświadczeniu upośledza późniejsze odzyskiwanie pamięci. Po trzecie, badania pokazują, że odzyskiwanie pamięci może być wywołane przez optogenetyczną stymulację neuronów engramowych przy braku jakichkolwiek naturalnych sensorycznych wskazówek odzyskiwania.
Podstawowym podejściem stosowanym przez badaczy w laboratorium Susumu Tonegawy było nauczenie myszy unikania wchodzenia do komory, w której otrzymywałyby łagodny wstrząs elektryczny. Neurony, które zostały aktywowane przez to warunkowanie strachu fluoryzują w barwieniach immunohistologicznych plasterków mózgu myszy, które zostały uśmiercone w różnym czasie po nauce, ujawniają engram pamięciowy, który rezyduje w wybranych neuronach w amygdali (która przetwarza informacje o strachu), w hipokampie (który przekształca pamięć krótkotrwałą w pamięć długotrwałą) i w wielu regionach neocortex (która przechowuje pamięć długotrwałą w postaci zwiększonej zdolności synaptycznej). Niektóre z tych komórek nadal fluoryzują, gdy są badane wiele dni później, wskazując, że stały się częścią zespołu neuronów engramowych, które utrzymują stosunkowo trwałą reprezentację oryginalnego, wyuczonego doświadczenia.
Inne myszy zostały genetycznie zmodyfikowane tak, by komórki engramowe fluoryzowały i były aktywowane pod wpływem światła dostarczanego przez mikrowłókna światłowodowe wszczepione chirurgicznie w różne regiony neokory. Taka stymulacja światłem komórek engramu potwierdzała ich status engramu, ponieważ sama stymulacja światłem wywoływała wcześniej wyuczone zachowanie (zamrożenie w miejscu, zamiast wejścia do komory szokowej). Kluczowym odkryciem było to, że neurony engramowe w korze przedczołowej były „nieme” wkrótce po nauczeniu się – mogły inicjować zachowanie zamrażania, gdy były sztucznie aktywowane światłem dostarczanym przez chirurgicznie wszczepione włókna światłowodowe, ale nie odpalały się podczas naturalnego przywoływania pamięci. Innymi słowy, engram pamięciowy powstał od razu we wszystkich trzech miejscach (amygdala, hipokamp i neocortex), ale komórki engramu w neocortex musiały dojrzeć z czasem, by stać się w pełni funkcjonalne.
Przez następne dwa tygodnie neurony engramu w neocortex stopniowo dojrzewały, co odzwierciedlały zmiany w ich anatomii i aktywności fizjologicznej. Pod koniec tego samego okresu, komórki engramu w hipokampie stały się nieme i nie były już używane do naturalnego przypominania. W tym momencie myszy mogły przypomnieć sobie wydarzenie w sposób naturalny, bez aktywacji komórek neokorowych przez światło światłowodowe. Jednak ślady pamięci pozostały w hipokampie, ponieważ reaktywacja tych neuronów hipokampa ze światłem skłoniła zwierzęta do freeze.
W przeszłości dominujący pogląd był taki, że doświadczenia uczenia się są tymczasowo przechowywane w obwodach w hipokampie, a następnie później eksportowane do innych części mózgu do ostatecznego przechowywania. Zarówno w przeszłości, jak i teraz, wszystkie dowody wskazują, że hipokamp jest kluczowy dla tworzenia trwałych wspomnień doświadczeń, które nie obejmują uczenia się motorycznego, ale mechanizmy były niepewne. Neurobiolodzy wiedzieli, że wspomnienia długotrwałe są przechowywane poza hipokampem, ponieważ osoby z uszkodzeniem hipokampa mogą stracić zdolność do tworzenia nowych wspomnień długotrwałych, ale nadal są w stanie przywołać stare wspomnienia.
Nowe badania sugerują, że engramy pamięciowe nie są transportowane z hipokampa do neokory, ale są obecne w obu miejscach na początku procesu uczenia się. Engram pamięciowy w neocortexie wymaga jedynie dojrzewania, aby pamięć stała się bardziej trwała. Co więcej, hipokamp nie może i nie musi utrzymywać długotrwałych engramów.
Chociaż jest to nowy sposób myślenia o mechanizmach konsolidacji tymczasowych wspomnień w długotrwałe, konwencjonalna koncepcja konsolidacji pozostaje potwierdzona. To znaczy, engram pamięciowy musi z czasem dojrzewać w postaci biochemicznych i anatomicznych zmian w komórkach engramu. Oczywiście, taki proces dojrzewania zostałby zakłócony, gdyby te same komórki engramu zostały zwerbowane do innych celów uczenia się, zanim zakończą dojrzewanie jako specyficzny engram pamięciowy. Pomaga to również wyjaśnić, dlaczego kolejne próby pomagają wydłużyć trwałość wspomnień, ponieważ każda próba ponownie angażuje neurony engramowe do tego samego rodzaju aktywności, którą wykonywały podczas uczenia się, wzmacniając w ten sposób odpowiednie synapsy.
Po uformowaniu się wspomnień u myszy poddanych warunkowaniu strachu, komórki engramowe w migdale pozostawały niezmienione przez cały czas trwania eksperymentu. Komórki te, niezbędne do wywoływania emocji związanych z konkretnymi wspomnieniami, jak w tym przypadku strach przed wejściem do komory szokowej, komunikują się z komórkami engramowymi zarówno w hipokampie, jak i w korze przedczołowej.
Nie wiemy, co dzieje się z komórkami engramowymi specyficznymi dla pamięci w hipokampie. Być może, gdy stopniowo tracą one swój status engramu, stają się dostępne do przetwarzania nowych rodzajów doświadczeń uczenia się. Być może pewne ślady engramu pozostają w hipokampie i są dostępne do reaktywacji, jeśli otrzymają bardzo istotne dane wejściowe, jak to może mieć miejsce w przypadku silnych wskazówek pamięciowych. Być może najważniejsze jest to, że te nowe techniki znakowania komórek engramu otwierają drzwi do nowych sposobów badania odzyskiwania pamięci, długo zaniedbywanego aspektu mechanizmów pamięci.
Innym potencjalnie istotnym odkryciem tego rodzaju badań jest to, że engramy pamięci mogą ulec uszkodzeniu, ale mogą nadal istnieć w formie, która nie może być odzyskana naturalnymi sposobami. Fakt, że takie „nieme” engramy można odzyskać za pomocą bezpośredniej stymulacji optogenetycznej wskazuje, że niepowodzenia w przypominaniu sobie nie muszą oznaczać, że pamięć została utracona. Problem może leżeć w nieadekwatności naturalnych wskazówek pamięciowych używanych do uruchamiania odzyskiwania pamięci.
Drzwi są teraz również otwarte dla eksperymentów, które mogą posunąć naprzód nasze rozumienie dojrzewania neuronów engramowych w neocortex. Jak dotąd wiadomo, że dojrzewanie wymaga wstępnej komunikacji z komórkami engramu w hipokampie. Zakłócenie połączeń między hipokampem a korą czołową zapobiega dojrzewaniu neokorowych komórek engramowych.