Herinneringen aflezen uit de activiteit van genen in het brein

Herinneringen vormen een unieke genetische code in het brein – een code die nu gekraakt is. Tot nog toe is dat alleen in muizen gelukt, maar in de toekomst kunnen we mogelijk ook herinneringen van mensen aflezen. Misschien kunnen we herinneringen dan zelfs veranderen of herstellen.

Het brein slaat herinneringen op door nieuwe of sterkere verbindingen te maken tussen verschillende neuronen. Voor die verbindingen hebben de neuronen nieuwe eiwitten nodig, zodat ze bijvoorbeeld meer signaalstofjes van buurneuronen kunnen ontvangen met ontvangereiwitten. Bij het produceren van die eiwitten zijn allerlei genen betrokken.

Het brein slaat herinneringen op door neuronen te verbinden. Beeld: Thinkstock.

Ami Citri en zijn collega’s van de Hebrew University in Jeruzalem deden hier onderzoek naar. Ze kwamen erachter dat bepaalde ervaringen – bijvoorbeeld een elektrische schok of cocaïneshot – verschillende veranderingen in genactiviteit in de breinen van muizen teweegbrengen.

In een experiment lieten de onderzoekers sommige muizen iets positiefs ervaren, zoals een suikerdosis of een cocaïne-injectie. Andere muizen ondergingen een negatieve ervaring, zoals een lichte elektrische schok of een injectie met een stofje waar ze zich ziek van gingen voelen. Een uur later werden de muizen geëuthanaseerd en bekeken de onderzoekers welke genen actief waren. Dat bekeken ze voor zeven hersengebieden die betrokken zijn bij het geheugen, zoals de hippocampus en de amygdala.

De genactiviteitspatronen van de muizen. Bovenaan staan van links naar rechts de hersengebieden waarin de onderzoekers maten. Van boven naar beneden staan de ervaringen die de muizen kregen. De ruitjes stellen de genactiviteit van vier genen voor (Egr4, Fos, Arc en Egr2), zoals rechts onderin aangegeven. Beeld: Diptendu Mukherjee et al.

Tot zijn verbazing kwam Citri erachter dat alle muizen die bijvoorbeeld cocaïne hadden gekregen min of meer hetzelfde patroon van genactiviteit vertoonden. Zo’n patroon ontdekten de onderzoekers door te kijken naar hoe actief bepaalde genen waren en in welk hersengebied ze actief waren. De patronen waren zó herkenbaar, dat de onderzoekers aan de hand daarvan konden raden welke ervaring een muis had gehad. Dat raden ging vrij goed: de onderzoekers hadden het in meer dan 90 procent van de gevallen bij het juiste eind, publiceren ze in vakblad eLife.

Unieke combi van genen

Elke ervaring, of het nou een cocaïneshot of suikerdieet was, had zijn eigen patroon van genactiviteit. Positievere ervaringen leken wel op elkaar. Dat gold ook voor de negatieve ervaringen. Muizen lijken goede en slechte herinneringen dus op een andere manier op te slaan.

Eerdere gebeurtenissen hadden ook effect op het genactiviteitspatroon. De herinnering aan een dosis suiker gaf een ander patroon als de muis voor het eerst suiker kreeg dan als hij al gewend was aan een suikerdieet. ‘Het ligt erg genuanceerd – we kunnen een breed scala aan verschillende ervaringen onderscheiden’, zegt Citri. ‘Elke herinnering die het brein opslaat, zet een unieke combinatie van genen aan om de herinnering op te slaan.’

De activiteit van genen lijkt ongeveer een uur nadat de ervaring heeft plaatsgevonden te pieken, zegt Citri. Collega-neurowetenschapper Amy Milton van de University of Cambridge denkt dat het menselijk geheugen waarschijnlijk op een vergelijkbare manier werkt. Wij gebruiken namelijk dezelfde mechanismen om herinneringen te vormen. ‘Deze nieuwe ontdekking kan dus heel interessant zijn,’ zegt ze.

Toekomst

Citri hoopt dat het ooit mogelijk zal zijn om genactiviteitspatronen van herinneringen te detecteren in bloedmonsters. Dan zouden onderzoekers deze code voor herinneringen in levende dieren of mensen kunnen aflezen. De eerste veelbelovende resultaten hiervan in muizen heeft zijn team al behaald, zegt hij. Als het werkt, kan deze techniek ons mogelijk helpen te begrijpen hoe mensen dezelfde gebeurtenis op een verschillende manier ervaren. ‘Veerkrachtigere mensen slaan hun herinneringen mogelijk anders op’, zegt Milton.

Naast een piek in genactiviteit na een ervaring, denkt Citri dat een gebeurtenis ook subtielere, permanente sporen op genen kan achterlaten. Deze zogeheten epigenetische veranderingen zouden mogelijk iets kunnen vertellen over herinneringen uit een verder verleden, zegt Citri, hoewel hij dit nog niet heeft onderzocht.

Genactiviteitspatronen die subjectieve herinneringen kunnen openbaren, zouden dokters dieper inzicht kunnen geven in bijvoorbeeld post-traumatische stressstoornis (PTSS). Misschien kan dat zelfs leiden tot behandelingen die herinneringen kunnen aanpassen.

Therapie

Bij huidige therapieën van PTSS leren mensen anders te reageren op traumatische herinneringen en fobieën, maar daarvoor moeten ze soms voor lange perioden pijnlijke herinneringen herbeleven. Een behandeling waarbij in één keer het genetische patroon van een herinnering verandert van een negatieve naar een positieve ervaring, zou voor deze mensen prettiger zijn.

De eerste stap richting zo’n behandeling zette Citri met zijn team al bij muizen. Met een speciaal virus onderdrukten de onderzoekers de activiteit van een bepaald gen nadat de muis een lichte elektrische schok had gekregen. Vervolgens wakkerden de onderzoekers de herinnering aan de schok aan door de muis terug te plaatsen in de omgeving waar die de schok had gekregen. Normaal gesproken verstijven muizen dan van angst, maar toen de genactiviteit onderdrukt was, vertoonden de muizen dat angstgedrag niet meer, zegt Citri. Hij presenteerde deze bevindingen vorig jaar bij de bijeenkomst van de Society for Neuroscience in Washington.

Herinneringen ophalen bij moordslachtoffers

De genetische code voor herinneringen zou in de toekomst misschien zelfs forensische toepassingen kunnen hebben. Men zou dan de recente ervaringen van iemand die net is overleden kunnen blootleggen. ‘Het is een fascinerend idee’, zegt Clea Warburton, professor cognitieve neurowetenschappen van de University of Bristol in Engeland.

Het zou bijvoorbeeld in de toekomst mogelijk kunnen zijn om te kijken naar een hersengebied dat betrokken is bij herkenning. Daarmee zou je dan kunnen achterhalen of een moordslachtoffer vlak voordat hij doodging een bekende heeft gezien. ‘Maar je zou er extreem snel bij moeten zijn, aangezien eiwitten binnen enkele minuten na overlijden beginnen af te breken’, zegt Warburton.

Geheugenverlies behandelen is mogelijk een betere toepassing van de recente bevindingen, zegt Warburton. ‘Als we de hersengebieden en eiwitten die nodig zijn voor geheugenformatie kunnen identificeren, kunnen we daar misschien iets aan manipuleren’, zegt ze. ‘Als mensen dan hersenschade hebben, kunnen we dat wellicht helpen te herstellen.’