Sedan Platon och Aristoteles trodde man att våra minnen måste vara fysiska saker som lagras någonstans i hjärnan. Men först i modern tid har vi lärt oss mycket om vad detta något är. Först fick detta något ett namn: minnesengram. När sedan kunskapen om vad som händer i neuronerna och deras synapser när de blir aktiva vid inlärning och minnesbildning ökade, blev det tydligt att inlärningshändelser som kunde komma ihåg orsakade kemiska och fysiska förändringar i förbindelselänkarna (synapserna) mellan neuronerna som deltar i inlärningsupplevelsen.
De neuronerna som deltar i inlärningsupplevelsen växer upp nya dendritiska förgreningar (så kallade taggar), och synapserna på dessa taggar förstoras, och deras neurotransmittorsystem förstärks. Dessa förändringar utgör engrammet. Reaktivering efter inlärning av de synapser som håller ett sådant engram kan ge återkallelse av den ursprungliga inlärning som skapade engrammet.
I neurovetenskapens tidiga dagar trodde forskarna att inlärningsupplevelser tilldelade eller rekryterade vissa delar av hjärnan för att hålla minnet. En försöksperson, Karl Lashley, lärde ut vissa uppgifter till försöksdjur och förstörde sedan, under bedövning, olika delar av neocortex i hopp om att hitta var minnet var lagrat. Han kunde inte hitta någon särskild lagringsplats. Vad han däremot fann var att ju mer omfattande han gjorde de kortikala skadorna, desto större var sannolikheten att han kunde radera minnet. Med andra ord tycktes minnet av en viss erfarenhet dekonstrueras och delas upp i olika regioner.
Därefter kom kvantitativa EEG-studier av E. Roy John, där han spårade var de elektriskt framkallade svaren i hjärnan fanns i olika delar av hjärnbarken under inlärningsupplevelser. Han såg att en viss inlärningsupplevelse gav upphov till elektriska reaktioner i flera delar av hjärnbarken, vilket återigen tyder på en dekonstruktion och fördelning av minnes-engram. Detta ledde till att han fick ett berömt uttalande: ”Minnet är inte en sak på en plats, utan en process i en population”.
Nja, vi vet att detta är lite av en överdrift. Det finns något sådant som ett minnes engram som lagras på specifika platser. Icke desto mindre finns det en fördelningsprocess för att skapa engrammet på flera platser och för att orkestrera dem till samtidig och samordnad aktivitet under minnesåterkallelsen.
Den moderna gentekniken och tekniken för neuronfärgning ger kraftfulla nya verktyg för att undersöka de neuroner som deltar i sammanfogningen av de neurala kretsar som är involverade i engrammen. Det finns nu sätt att avbilda och manipulera engram på nivån av neuronala ensembler. Flera bevislinjer visar att engramneuroner kan ses histologiskt och utvärderas enligt olika experimentella metoder.
Till exempel visar histologiska färgningar som avslöjar neuroner som aktiveras av en inlärningsupplevelse att de också är aktiva under minnesåterhämtning av den erfarenheten. För det andra visar studier om förlust av funktion att försämring av engramneuronernas funktion efter en erfarenhet försämrar efterföljande minnesåterhämtning. För det tredje visar studier att minnesåterhämtning kan utlösas genom optogenetisk stimulering av engramneuroner i avsaknad av naturliga sensoriska återhämtningsindikationer.
Den grundläggande metod som användes av forskare i Susumu Tonegawas labb var att lära möss att undvika att gå in i en kammare där de skulle få en mild elchock. Neuroner som aktiveras av denna konditionering av rädsla fluorescerar i immunohistologiska färgningar av hjärnskivor hos möss som offras vid olika tidpunkter efter inlärningen, vilket avslöjar ett minnesprogram som finns i utvalda neuroner i amygdala (som bearbetar information om rädsla), i hippocampus (som omvandlar korttidsminnet till ett mer långsiktigt minne) och i flera regioner i neocortex (som har ett långtidsminnesminne i form av en förbättrad synaptisk förmåga). Vissa av dessa celler fluorescerar fortfarande när de undersöks många dagar senare, vilket tyder på att de har blivit en del av en ensemble av engramneuroner som har en relativt varaktig representation av den ursprungliga inlärda erfarenheten.
Andra möss genetiskt manipulerades så att engramcellerna fluorescerar och aktiveras när de utsätts för ett ljus som levereras via mikrofibers optiska kablar som kirurgiskt implanterats i olika regioner av neocortex. En sådan ljusstimulering av engramcellerna bekräftade deras engramstatus eftersom enbart ljusstimuleringen utlöste det tidigare inlärda beteendet (att frysa på plats i stället för att gå in i chockkammaren). Ett viktigt resultat var att engramneuroner i den prefrontala cortexen var ”tysta” strax efter inlärningen – de kunde initiera frysningsbeteende när de artificiellt aktiverades av ljus som levererades via kirurgiskt implanterade fiberoptiska trådar, men de utlöste inte eld under naturlig minnesåterkallelse. Med andra ord bildades minnesengrammet direkt på alla tre ställen (amygdala, hippocampus och neocortex), men engramcellerna i neocortex var tvungna att mogna med tiden för att bli fullt funktionella.
Under de följande två veckorna mognade engramneuronerna i neocortex successivt, vilket återspeglades av förändringar i deras anatomi och fysiologiska aktivitet. I slutet av samma period blev de hippocampala engramcellerna tysta och användes inte längre för naturligt återkallande. Vid denna tidpunkt kunde mössen återkalla händelsen på ett naturligt sätt, utan aktivering av neokortikala celler med fiberoptiskt ljus. Spår av minnet fanns dock kvar i hippocampus, eftersom återaktivering av dessa hippocampala neuroner med ljus fick djuren att frysa.
Den tidigare rådande uppfattningen var att inlärningsupplevelser tillfälligt hålls kvar i kretsar i hippocampus och sedan senare exporteras ut till andra delar av hjärnan för slutlig lagring. Både tidigare och nu tyder allt på att hippocampus är avgörande för att bilda bestående minnen av upplevelser som inte innefattar motorisk inlärning, men mekanismerna hade varit osäkra. Neurovetenskapsmännen visste att långtidsminnen lagras utanför hippocampus eftersom personer med skador på hippocampus kan förlora förmågan att bilda nya långtidsminnen, men de kan fortfarande återkalla gamla minnen.
Nu tyder den nya forskningen på att minnesengram inte transporteras från hippocampus till neocortex utan finns på båda ställena i början av inlärningen. Minnes-engrammet i neocortex kräver bara mognad för att minnet ska bli mer permanent. Hippocampus kan inte heller, och behöver inte, innehålla långvariga engram.
Och även om detta är ett nytt sätt att tänka på mekanismerna för hur tillfälliga minnen konsolideras till mer långvariga minnen, förblir den konventionella idén om konsolidering bekräftad. Det vill säga, minnesengrammet måste mogna med tiden i form av biokemiska och anatomiska förändringar i engramcellerna. Det är uppenbart att en sådan mognadsprocess skulle störas om samma engramceller rekryteras för att tjäna andra inlärningsändamål innan de har avslutat sin mognad som ett specifikt minnesprogram. Detta bidrar också till att förklara varför efterföljande repetitioner bidrar till att minnena håller längre, eftersom varje repetition åter engagerar engramneuronerna i samma typ av aktivitet som de utförde under inlärningen och på så sätt stärker de relevanta synapserna.
När minnen väl bildats hos de rädselkonditionerade mössen förblev engramcellerna i amygdala oförändrade under hela försöksförloppet. Dessa celler, som är nödvändiga för att framkalla de känslor som är kopplade till specifika minnen, som rädslan för att gå in i chockkammaren i det här fallet, kommunicerar med engramceller i både hippocampus och prefrontal cortex.
Vi vet inte vad som händer med minnesspecifika engramceller i hippocampus. Kanske blir de, när de gradvis förlorar sin engramstatus, tillgängliga för bearbetning av nya typer av inlärningsupplevelser. Kanske finns vissa spår av engram kvar i hippocampus och är tillgängliga för reaktivering om mycket relevanta inputs tas emot, vilket skulle kunna vara fallet med starka minnessignaler. Det viktigaste är kanske att dessa nya tekniker för märkning av engramceller öppnar dörren för nya sätt att studera minnesåterhämtning, den länge försummade aspekten av minnesmekanismerna.
En annan potentiellt relevant slutsats av denna typ av forskning är att minnesengram kan skadas men fortfarande existera i en form som inte kan återvinnas på naturlig väg. Det faktum att sådana ”tysta” engram kan hämtas med direkt optogenetisk stimulering tyder på att misslyckanden med att återkalla minnet inte nödvändigtvis tyder på att minnet är förlorat. Problemet kan bero på att de naturliga minnessignaler som används för att utlösa minnesåterhämtning är otillräckliga.
Dörren är nu också öppen för experiment som kan öka vår förståelse av mognaden av engramneuroner i neocortex. Det man hittills vet är att mognaden kräver inledande kommunikation med engramceller i hippocampus. Om man stör hippocampusförbindelserna mellan hippocampus och frontalcortex förhindrar man mognaden av neokortikala engramceller.