Systematic evaluation of memory retrieval in computational brain microcircuits
Authors: Ανδρεάκος Νικόλαος 
Published: February 2024

Από αρχαία χρόνια, ο άνθρωπος δε μπορούσε να σταματήσει να αναρωτιέται "Ποιος είμαι εγώ;", "Γιατί υπάρχω;", "Ποιος είναι ο σκοπός της ζωής;", "Από πού προέρχονται όλες αυτές οι σκέψεις;". O εγκέφαλός μας. Αυτή η μαγική συνάθροιση νευρώνων αδυνατεί να σταματήσει να αναρωτιέται και να εξερευνά. Όλες αυτές οι πληροφορίες, ωστόσο, δε θα είχαν καμία σημασία αν δεν μπορούσαν να αποθηκευτούν. Έτσι, δημιουργείται η ανάγκη της μνήμης. Η μνήμη είναι μια λειτουργία η οποία ορίζει το ποιοι είμαστε. Χωρίς τις μνήμες μας, είμαστε οντότητες χωρίς ταυτότητα. Η απώλειά της μπορεί να είναι πολύ επιζήμια για την επιβίωσή μας. Το κέντρο της μνήμης είναι ο έσω κροταφικός λοβός (ΕΚΛ) και ιδιαίτερα ο ιππόκαμπος. Ο ιππόκαμπος αποτελεί μέρος του λιμβικού συστήματος και σχετίζεται με τις λειτουργίες της βραχύχρονης και της μακρόχρονης μνήμης (ΒΜ, ΜΜ). Στη διατριβή μου, αναβαθμίσαμε ένα εμπνευσμένο από τον εγκέφαλο πιο ευέλικτο υπολογιστικό μοντέλο της περιοχής CA1 του ιππόκαμπου των θηλαστικών και το χρησιμοποιήσαμε για να εξετάσουμε πώς μπορεί να επηρεαστεί η ανάκληση πληροφοριών υπό διαφορετικές συνθήκες. Η διαδικασία ανάκλησης σε ένα σύστημα μνήμης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στο πώς δίνεται πρόσβαση στις ήδη αποθηκευμένες πληροφορίες. Αν η διαδικασία ανάκλησης δεν είναι αποδοτική, μπορεί να οδηγήσει σε δυσκολίες στην πρόσβαση στην απαιτούμενη μνήμη και τελικά να έχει αρνητικές επιπτώσεις στη σκέψη και τη λήψη αποφάσεων. Επιπλέον, η κατανόηση της διαδικασίας ανάκλησης θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη στρατηγικών για τη βελτίωση της μνήμης και την πρόληψη της απώλειάς της. Τα εγκεφαλικά κύματα παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στη σωστή λειτουργία των κυκλωμάτων του εγκεφάλου, ειδικά ο ρυθμός theta (θ). Ο ρυθμός theta (θ) ρυθμίζει τη διέγερση και την αναστολή του ιππόκαμπου, χωρίζοντας την κωδικοποίηση και την ανάκληση των πληροφοριών σε δύο ανεξάρτητες διαδικασίες. Το νευρωνικό δίκτυο της παρούσας έρευνας αποτελούταν από διαφορετικούς τύπους διεγερτικών και ενδιάμεσων ανασταλτικών νευρώνων, στους οποίους στέλνονταν διεγερτικά και ανασταλτικά σήματα από γειτονικές εγκεφαλικές περιοχές. Η λειτουργία των νευρώνων αυτών σχετιζόταν με τις διαφορετικές φάσεις του ρυθμού theta (θ). Για να εξετάσουμε ποιοι βιοφυσιολογικοί μηχανισμοί θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη βελτίωση της μνημονικής ανάκλησης εντοπίζοντας και αφαιρώντας με μεγαλύτερη ακρίβεια παρεμβολές προερχόμενες από την υπόλοιπη μνημονική δραστηριότητα, ρυθμίσαμε την εμπροσθόδρομη και οπισθόδρομη διέγερση η οποία στοχεύει σε συγκεκριμένους διεγερτικούς και ανασταλτικούς νευρώνες στο νευρωνικό κύκλωμα. Δημιουργήθηκαν έξι διαφορετικά μοντέλα (μοντέλα 1-6) μέσω της ρύθμισης διαφορετικών διεγερτικών και ανασταλτικών μονοπατιών: στο μοντέλο 1 αυξήθηκε η εμπροσθόδρομη διέγερση από την περιοχή CA3 του ιππόκαμπου στους bistratified νευρώνες, στο μοντέλο 2 αυξήθηκε η εμπροσθόδρομη αναστολή από τους bistratified νευρώνες στους πυραμιδικούς νευρώνες, στο μοντέλο 3 αυξήθηκε η οπισθόδρομη διέγερση των πυραμιδικών νευρώνων στους bistratified νευρώνες, στο μοντέλο 4 χρησιμοποιήθηκε ένας συνδυασμός των μοντέλων 1 και 2, στο μοντέλο 5 ένας συνδυασμός των μοντέλων 1 και 3, και στο μοντέλο 6 ένας συνδυασμός των μοντέλων 2 και 3. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι η αύξηση της εμπροσθόδρομης διέγερσης στους ανασταλτικούς νευρώνες ήταν ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη μείωση ή ακόμα και την εξάλειψη της λανθασμένης δραστηριότητας. Αυτό επιτρέπει στο σύστημα να έχει πρόσβαση στις αποθηκευμένες πληροφορίες με μεγαλύτερη ακρίβεια. Επίσης, εξετάστηκαν και οι παράγοντες που μειώνουν την απόδοση του μοντέλου. Βρέθηκε ότι ο αριθμός των νευρώνων που κωδικοποιούν μια μνήμη επηρέασε την πολυπλοκότητα του πλαισίου, και μαζί με τον αριθμό των νευρώνων που κωδικοποίησαν περισσότερες από μία μνήμες (παρεμβολές μεταξύ μνημών) ήταν οι πιο σημαντικοί παράγοντες που επηρέασαν αρνητικά την απόδοση στην ανάκληση όλων των μοντέλων. Η μέση τιμή ανάκλησης (ΜΤΑ) μειωνόταν όταν αποθηκεύονταν μνήμες με πιο πολύπλοκο πλαίσιο. Επιπλέον, όταν η αποκτηθείσα γνώση χρησιμοποιήθηκε σε λιγότερο όμοια πλαίσια, παρατηρήθηκε μια σημαντική μείωση στην απόδοση ανάκλησης, ενώ η ομοιότητα μεταξύ των ήδη αποθηκευμένων πληροφοριών και μιας νέας καθόριζε την απόδοση ανάκλησης των μοντέλων. Από την άλλη πλευρά, ο αριθμός των μνημών που αποθηκεύονταν στο δίκτυο δεν επηρέασε την απόδοση ανάκλησης, ενώ παρατηρήθηκε μια ελαφρά αύξηση όταν αυξάνονταν το μέγεθος του δικτύου. Τέλος, ο αριθμός των ανασταλτικών συνάψεων επηρέασε την απόδοση ανάκλησης των μοντέλων μόνο όταν και τα δύο είδη συνάψεων μειώνονταν. Αντίθετα, η απουσία της αναστολής από τους oriens lacunosum-moleculare (OLM) νευρώνες δεν επηρέασε την απόδοση ανάκλησης των μοντέλων σε καμία συνθήκη. Επειδή τα αποτελέσματα της έρευνάς μας θα παρέχουν θεμελιώδεις γνώσεις για τους συναπτικούς, κυτταρικούς και δικτυακούς μηχανισμούς της μνήμης, αυτό θα οδηγήσει σε πιο αποτελεσματικές στρατηγικές για τη θεραπεία και την πρόληψη διαταραχών που σχετίζονται με τη μνήμη, όπως η νόσος Alzheimer, η σχιζοφρένεια και η επιληψία.