Muisti ja sen ulottuvuudet ovat innoittaneet elokuvantekijöitä ja kirjailijoita kautta aikain. Tieteistarinoissa on pyyhitty muistista kivuliaita asioita, luotu valheellisia muistoja tai herätetty henkiin lapsuuden kokemuksia. Aki Kaurismäen elokuva ”Mies vailla menneisyyttä” kertoo muistinsa menettäneestä miehestä, joka ajautuu yhteiskunnan reuna-alueille ja rakentaa elämänsä alusta vähäosaisten parissa. Elokuva kuvaa rujolla mutta lämpimällä tavalla sitä, miten muistinsa menettäessään kadottaa samalla paljon muutakin – identiteetin, läheiset ihmiset ja elämän peruspilarit.
Muisti on siis kiinteä osa ihmisyyttä, ja oikeastaan muistin olemassaolon havaitseekin vasta, kun jokin tökkii. Jokainen meistä tietää, miten turhauttavaa on kaivaa mielestään nimeä, joka pitäisi tietää, tai etsiä liian hyvään säilöön talletettuja tavaroita. Muistin menettämisen tuska koskettaa monia läheltä, kun väestö vanhenee ja muistisairaudet lisääntyvät väistämättä.
Vaikka arkikielessä yhdistämmekin muistin usein tietoiseen kykyyn oppia ja palauttaa mieleen konkreettisia asioita (Mitä teit viime lauantaina? Kuinka monta presidenttiä Suomessa on ollut?), myös kaikki arkiset askareet kuten kykymme liikkua tai syödä perustuvat kykyymme oppia ja muistaa. Havainnoimme jatkuvasti aistien kautta ympäristöämme ja tallennamme tätä tietoa tiedostamattamme aivoihimme. Muistin avulla pystymme peilaamaan nykyhetkeä menneisyyteen ja hahmottamaan paikkamme maailmassa. Vaikka ihmisen kyky muistaa on kiistatta omaa luokkaansa, valtaosa alkeellisimmistakin eliöistä pystyy jonkinlaiseen oppimiseen.
Muistilla viitataan yleisesti kykyyn kerätä ja tallentaa tietoa ja hyödyntää tätä tietoa toiminnassaan joko tietoisesti tai tiedostamattomasti. Muistin mekanismien ja fyysisen perustan selvittäminen on yksi suurimmista biologian liittyvistä arvoituksista. Neurobiologiassa muistilla tarkoitetaan tiedon pitkäaikaista tallentumista hermosolujen välisiin liitoksiin hermosoluyhteyksien (synapsien) vahvistumisen tai uusien yhteyksien syntymisen kautta. Eläintieteilijä Richard Semon esitteli termin muistijälki (memory engram) ensi kertaa vuonna 1904 kuvaamaan niitä kemiallisia ja fysikaalisia muutoksia, joita hermosoluissa ja niiden välisissä liitoksissa tapahtuu kun muisto tallentuu aivoihimme. Siitä lähtien tutkijat ovat kiivaasti yrittäneet selvittää muistijäljen fyysistä perustaa ja sijaintia aivoissa. Ihmisen aivoissa on arviolta noin 100 miljardia hermosolua, ja jokainen hermosolu muodostaa satoja tai jopa tuhansia yhteyksiä toisiin hermosoluihin. Jokaisella hermosolulla on muistin toimintaan tarvittavia rakenteita (synapseja), joten periaatteessa mikä tahansa hermosolu voisi osallistua muistijäljen syntymiseen. Missä muisti sitten sijaitsee?
1900-luvulla muistijäljen arvoitus alkoi pala palalta aueta. Aivoihin tehtyjen kokeellisten vaurioiden avulla pystyttiin paikantamaan muistille tärkeitä aivoalueita ja farmakologisten ja sähköfysiologisten menetelmien kehittyessä muistin molekyyli-ja solutason mekanismit alkoivat hahmottua. Varhaisten muistitutkimusten perusteella pystyttiin osoittamaan, että muistilla ei ole yhtä paikkaa aivoissa, vaan muistot tallentuvat ikään kuin sirpaleina aivojen eri osiin. Eri aivoalueilla on kuitenkin osoitettu olevan merkittävä rooli tietynlaisten muistojen syntymisessä, kuten muun muassa episodiseen (tapahtuma) muistiin liittyvällä hippokampuksella tai tunnemuistille tärkeällä amygdalalla. Kanadalainen psykologi Donald Hebb esitti vuonna 1949 ensimmäisen mekanistisen selityksen muistijäljen syntymiselle. Hebbin teorian mukaan muisti perustuu hermosoluyhteyksien vahvistumiseen samanaikaisesti aktiivisten hermosolujen välillä.
Edistyksestä huolimatta muistijäljen kokonaisvaltainen ymmärtäminen ja tarkka paikannus aivoissa on ollut haastavaa aivan viime vuosiin asti. Merkittävä läpimurto muistijäljen paikannuksessa on ollut geeniteknisten menetelmien ja valolla säädeltävien (optogeneettisten) hermosolureseptoreiden kehitys. Uusien menetelmien avulla pystytään paitsi leimaamaan ja identifioimaan muistijäljen syntymiseen osallistuvat hermosolut (engram cells) hiirimallissa, myös peukaloimaan näiden solujen aktiivisuutta jälkikäteen.
Uusia tekniikoita hyödyntämällä on pystytty testaamaan vanhojen teorioiden paikkansapitävyyttä ja luomaan uusia hypoteesejä. Ihmisiä tutkimalla on esimerkiksi vaikeaa erottaa, johtuuko kyvyttömyys muistaa ongelmista tiedon tallentamisessa aivoihin vai vaikeuksista palauttaa tallentuneet muistot mieleen. Hyödyntämällä hermosolujen leimaustekniikkaa Alzheimerin taudin hiirimallissa saatiin selville, että huonomuistiset Alzheimer-hiiret itse asiassa kykenivät tallentamaan pelottavia muistoja, mutta eivät palauttamaan niitä mieleensä (1). Samassa tutkimuksessa osoitettiin myös, että vahvistamalla muistijälkeen osallistuvia hermosoluyhteyksiä keinotekoisesti kykenivät myös Alzheimer-hiiret muistamaan pelottavia muistoja.
Hermosolujen leimaamis- ja manipuloimiskokeiden avulla on voitu osoittaa, että hiljentämällä pelottavaan muistoon liittyvä muistijälki hiiren aivoissa voidaan estää valikoidusti kyseisen pelon ilmeneminen (pelkoreaktio) (2). Hiiren aivoihin on pystytty myös luomaan valheellisia muistoja ja muuttamaan alkujaan ikävä muisto miellyttäväksi (3, 4). Äskettäin Science-lehdessä julkaistu artikkeli puolestaan haastaa perinteisen käsityksen siitä, miten pitkäkestoiset muistot tallentuvat isoaivojen kuorikerroksille. Perinteisesti on ajateltu, että muistot tallentuvat ensin hippokampukseen ja sen läheisille aivoalueille, josta ne tallennetaan vähitellen isoaivojen kuorikerroksiin pysyvään säilöön. Uusi tutkimus osoitti, että itse asiassa etuaivojen kuorikerroksen hermosolut aktivoituvat hyvin pian muiston synnyttyä, mutta kypsyvät ajan kuluessa samalla kun hippokampuksen hermosolujen toiminta vaimenee (5).
Vetävät otsikot valheellisten muistojen luomisesta ja pelottavien muistojen pyyhkimisestä hiiren aivoista ovat herättäneet myös suuren yleisön kiinnostuksen. Tutkimusten tuloksia on spekuloitu avaimeksi hoitojen kehittämiseen milloin traumanjälkeisen stressihäiriön hoitoon, milloin huumeriippuvuuden parantamiseen. Tutkimusten tavoite ei kuitenkaan ole muistuttaa science fictionia, vaan vastata mahdollisimman hyvin asetettuun hypoteesiin. Hermosolujen leimaamis-ja manipulaatiotekniikan avulla on pystytty ensi kertaa osoittamaan tietyn muiston syntymiselle ja mieleen palauttamiselle välttämätön ja riittävä hermosoluryhmä eli kokonainen muistijälki, ja yhdistämään tämä muistijälki eläimen käyttäytymiseen. Moni kysymys odottaa kuitenkin vielä vastaustaan. Miten muistijälkeen osallistuvien hermosolujen aktiivisuutta säädellään? Mitä hermosoluissa tapahtuu solu-ja molekyylitasolla, kun muistijälki syntyy tai muisto palautuu mieleen? Miten erilaiset muistot tai muistojen ajallinen järjestys tallennetaan aivoihin?
Hiiren muistin ja erityisesti usein käytetyn kokeellisen pelkoehdollistumisen tutkiminen tarjoavat vain kapean ikkunan ihmisen monitahoisen muistin ymmärtämiseen. Ihmisen aivot ovat huomattavasti mutkikkaammat kuin hiiren, eikä vastaavaa tekniikkaa pystytä käyttämään ihmisen aivojen tutkimiseen. Eläinmalleista saadut tutkimustulokset yhdessä yhä tarkempien ihmisaivojen kuvantamismenetelmien kanssa tarjoavat kuitenkin mahdollisuuden ymmärtää muistin toimintaa ja mekanismeja aivan uudella tasolla. Tämä tieto muodostaa pohjan myös uusien tehokkaampien hoitomuotojen kehittämiselle moniin muisti- ja psykiatrisiin sairauksiin.
Aino Vesikansa
Tutkijatohtori, HY eläinlääketieteellisten biotieteiden osasto ja Helsinki Institute of Life Sciences
aino.vesikansa@helsinki.fi
Kirjallisuutta
- Roy DS, Arons A, Mitchell TI, Pignatelli M, Ryan TJ, Tonegawa S. Memory retrieval by activating engram cells in mouse models of early Alzheimer’s disease. Nature. 2016 Mar 24;531(7595):508-12.
- Kim WB, Cho JH. Encoding of Discriminative Fear Memory by Input-Specific LTP in the Amygdala. Neuron. 2017 Aug 30;95(5):1129,1146.e5.
- Ramirez S, Liu X, Lin PA, Suh J, Pignatelli M, Redondo RL, et al. Creating a false memory in the hippocampus. Science. 2013 Jul 26;341(6144):387-91.
- Redondo RL, Kim J, Arons AL, Ramirez S, Liu X, Tonegawa S. Bidirectional switch of the valence associated with a hippocampal contextual memory engram. Nature. 2014 Sep 18;513(7518):426-30.
- Kitamura T, Ogawa SK, Roy DS, Okuyama T, Morrissey MD, Smith LM, et al. Engrams and circuits crucial for systems consolidation of a memory. Science. 2017 Apr 7;356(6333):73-8.