Lyhytkestoinen muisti ja ihmisen hippokampus

jokaiselle psykologian perustutkinnon opiskelijalle opetetaan, että lyhytkestoinen muisti, kyky pitää hetkellisesti mielessään lähimenneisyyden tietoja (esim.puhelinnumero) sisältää erilaisia psykologisia prosesseja ja neuraalisia substraatteja pitkäaikaisesta muistista (esim. eilisen muistaminen). Tämä kahtiajakoinen muistilaskelma perustuu todisteisiin neuropsykologisista dissosiaatioista, kuten mediaalisen ohimolohkon (MTL) vaurioituneista potilaista, joilla tähän asti on ajateltu olevan heikentynyt pitkäkestoinen muisti mutta normaali lyhytkestoinen muisti (Squire, 1992). Viime vuosina tämä näkökanta on kuitenkin kohdannut huomattavia haasteita, kun otetaan huomioon kertyvät todisteet, jotka viittaavat siihen, että lyhytkestoinen muisti ja pitkäaikainen muisti, sen sijaan, että ne olisivat laadullisesti erillisiä, voivat itse asiassa jakaa samanlaisia taustalla olevia hermomekanismeja (tarkastelua varten, katso Jonides et al., 2008).

keskeinen viimeaikainen havainto on, että MTL-vaurioita sairastavat potilaat suoriutuvat huonosti pitkäkestoisen muistin tehtävien lisäksi myös lyhytaikaisen muistin tehtävistä, joihin liittyy uuden tiedon muistaminen lyhyin väliajoin. Kun taas perirhinal cortex näyttää tukevan lyhyen aikavälin muistia uusia objektin informaatiota (Brown and Aggleton, 2001), neuropsykologiset todisteet viittaavat siihen, että hippokampus on kriittinen, kun assosiatiivinen informaatio on mukana (tarkastelua varten, katso Jonides et al., 2008) ehdotetun funktionsa mukaisesti relaatiositojana pitkäaikaisessa muistissa (Cohen and Eichenbaum, 1993). Esimerkiksi eräässä tuoreessa tutkimuksessa potilaat, joilla oli hippokampaalinen muistinmenetys, eivät muistaneet uusien esineiden sijaintia edes muutaman sekunnin viiveellä (Jonides et al., 2008).

neuropsykologisesta todistusaineistosta tiedetään siis, että hippokampus on lyhytkestoiselle muistille assosiatiivisen informaation kannalta kriittinen. Neuropsykologisesta aineistosta ei kuitenkaan selviä, miten hippokampus tukee tätä toimintoa. Hannula and Ranganath (2008) käyttää toiminnallista magneettikuvausta (fMRI) tämän tärkeän asian käsittelemiseksi luonnehtimalla aivojen toimintaa lyhytkestoisen assosiatiivisen muistitehtävän jokaisessa vaiheessa ja liittämällä tällainen neuraalinen toiminta käyttäytymiseen. Siinä missä myöhempää muistilähestymistapaa on käytetty laajasti pitkäkestoisen tunnistusmuistin tutkimiseen, tämä ei ole ollut mahdollista aiemmissa lyhytkestoisissa muistikokeissa koehenkilöille tyypillisesti saavutetun lähes kattotason suorituskyvyn vuoksi. Tämän ongelman kiertämiseksi kirjoittajat valitsivat suhteellisen vaikean tehtävän varmistaa, että riittävästi oikeita ja virheellisiä kokeita syntyisi.

käytetty paradigma jakaa samankaltaisuuksia tehtävän kanssa, jonka tiedetään olevan hippokampaalista riippuvainen aiempien neuropsykologisten tietojen perusteella (Hartley et al., 2007). Kunkin kokeen näytevaiheen aikana koehenkilöt tarkastelivat uutta kohtausta, joka koostui neljästä objektista (yhdeksän objektin joukosta), joista kukin oli yhdessä yhdeksästä mahdollisesta paikasta 3 × 3-ruudukossa . Jotta rohkaistaisiin käyttämään hippokampumavälitteistä allokentristä (tai maailmakeskeistä) strategiaa sen sijaan, että luotaisiin itsekeskeiseen (tai katselijakeskeiseen) strategiaan, jonka ajateltiin perustuvan päälaen-ja etuotsalohkon kulmiin, koehenkilöitä pyydettiin muodostamaan mielikuva kohtauksesta, joka on käännetty 90° oikealle alkuperäisestä näkökulmasta. Sen jälkeen niiden oli ylläpidettävä pyörivää esitystä seuranneen 11 sekunnin viivevaiheen aikana testiärsykettä ennakoiden. Koevaiheen aikana arvioitiin koehenkilöiden muistia esineiden asennoista. Tämä tehtiin pyytämällä heitä luokittelemaan nappia painamalla testiärsyke sen mukaan, muodostiko se (1)” match ”(eli alkuperäinen kohtaus pyöri 90°); (2)” mismatch-position ”(eli yksi objekti miehitti uuden sijainnin); (3)” mismatch-swap”(eli kaksi objektia oli vaihtanut paikkaa”). Suorituskyky kaikissa olosuhteissa oli huomattavasti suurempi kuin 33%: n oikeiden vastausten todennäköisyys: 78, 65 ja 60% match -, mismatch-ja mismatch-swap-näytöissä.

kirjoittajat suorittivat ensin myöhemmän muistianalyysin vertaamalla oikeita kokeita virheellisiin kokeisiin. Tämä paljasti, että hippokampaalinen aktiivisuus näytteenottovaiheessa ennusti onnistuneita tunnistustuomioita testivaiheessa . Tämä havainto sulkee pois muuten ongelmallisen selityksen, jonka mukaan suurempi neuraalinen aktiivisuus näytevaiheen aikana ennustaa myöhempää menestystä ei kohteen ja sijainnin assosiatiivisen informaation koodauksen kautta, vaan itse objektit (esim.rummut, lintuallas). Myöhempi muistikorrelaatio todettiinkin perirhinaalisessa aivokuoressa valikoivasti näytevaiheen aikana sen mukaisesti, että tämä hermoalue on kriittinen kohde-spesifisen informaation koodaamisessa.

mielenkiintoista on, että hippokampuksen aktiivisuudessa tarkkuuden funktiona ei ollut viiveellä merkittäviä eroja. Vaikka tällaisen nollahavainnon tulkinnassa suositellaan varovaisuutta, tämä tulos viittaa siihen, että hippokampuksessa jatkuva hermotulitus ei tapahdu lähimuistitehtävien viiveaikana, kuten entorhinaalisessa aivokuoressa ajatellaan tapahtuvan. Yksi mahdollisuus on, että hippokampus tukee lyhytkestoista muistia assosiatiivisten tietojen kautta ohimeneviä muutoksia synaptisessa tehossa, eikä aktiivista ylläpitoa (Jonides et al., 2008). Vaihtoehtoisesti aktiivista ylläpitoa voi tapahtua, mutta eri mekanismilla, jota fMRI ei voi havaita (esim.Theta/gamma-heilahtelut).

nämä tulokset viittaavat siihen, että hippokampuksella on tärkeä rooli uuden assosiatiivisen tiedon koodaamisessa ja hakemisessa, mutta ei ehkä aktiivisessa ylläpitämisessä, lähimuistissa. Mutta miten hippokampus laskee testiärsykkeiden uutuuden tai päinvastoin tuttuuden niin, että voidaan tehdä oikea tunnistustuomio? Vaikutusvaltainen teoreettinen ehdotus on, että hippokampus toimii vertailukohtana (tai match-mismatch detector), joka tunnistaa eroavaisuuksia aiempien ennusteiden välillä, jotka perustuvat aiempiin kokemuksiin ja nykyisiin aistinsyötteisiin (Norman and O ’ Reilly, 2003) (tarkastelua varten, katso Kumaran and Maguire, 2007). Yksi strategia tämän hypoteesin paikkansapitävyyden arvioimiseksi on karakterisoida, miten hippokampaalinen aktiivisuus vaihtelee testiärsykkeiden uutuuden tai tuttuuden funktiona. Empiiristä näyttöä, joka on yhdenmukainen vertailumalliin perustuvien ennusteiden kanssa, saatiin hiljattain tehdystä tutkimuksesta, jossa käytettiin tätä lähestymistapaa (Kumaran and Maguire, 2006), jossa hippokampuksen aktiivisuutta havaittiin nimenomaan vastaavuus-epäsuhta-olosuhteissa eikä vastauksena pelkästään uutuuteen sinänsä.

Hannula ja Ranganath (2008) omaksuivat samantapaisen lähestymistavan hippokampuksen uutuus – /tuttuussignaalien luonteeseen sisällyttämällä siihen kolmenlaisia testikokeita, jotka vaihtelivat sen mukaan, miten samankaltaisia ne olivat näyteärsykkeiden kanssa. Kirjoittajat käyttivät Alue-of-interest-analyysiä osoittaakseen, että hippokampaalin aktivoituminen oikeiden kokeiden aikana oli suurinta suhteessa match-näyttöihin (verrattuna epäsuhta-asentoon ja epäsuhta-swap-näyttöihin). Mielenkiintoista on, että kun assosiatiivisen tiedon uutuus/tuttuus on käsillä olevaan tehtävään nähden sivuseikka (eli koehenkilöiltä ei vaadita eksplisiittisiä tunnistusmuistiarvioita), hippokampuksen aktivoinnin maksimaalisella on havaittu laadullisesti erilainen löydösten malli, kun olosuhteet eivät täsmää vaan täsmäävät (Kumaran and Maguire, 2006). Ennen kuin siirrytään ”mielenkiintoisiin” selityksiin tälle ristiriidalle, on syytä pohtia koehenkilöiden ylivoimaisen suorituskyvyn vaikutusta ottelunäytöissä (vertaa epäsuhtanäytöt) havaittuun neurodataan. Vaikka kirjoittajat huolellisesti harkittu ja diskontattu tällainen vaikutus, ilman luottamusta luokitus tietoja, on vaikea täysin sulkea pois mahdollisuutta, että koehenkilöt ovat voineet olla varmempia tehdä (oikea) ottelu, toisin kuin epäsuhta, tuomioita.

tästä huolimatta todennäköisin selitys havaituille havainnoille on se, että hippokampusten vasteiden Amplitudi uusiin (tai tuttuihin) aistinsyötteisiin riippuu suoritettavasta erityistehtävästä. Sinänsä Hannulan ja Ranganathin (2008) havainnot muistuttavat apinoiden inferotemporaalisessa/perirhinaalisessa aivokuoressa havaittua tunnettua ”match enhancement” – ilmiötä suhteessa odotetun kohdeärsykkeeseen, joka vastaa nykyistä mielessä pidettyä ärsykettä (Miller ja Desimone, 1994) . Sitä vastoin uutuuden automaattisen havaitsemisen aikana hippokampuksen lisääntynyt neuraalinen aktiivisuus voi heijastaa verrannollisen mekanismin suhteellisen ”puhdasta” allekirjoitusta, jossa ei ole ylhäältä alaspäin suuntautuvia vaikutteita (Kumaran and Maguire, 2006). Tärkeä väylä tulevalle työlle onkin tutkia hippokampuksen ja prefrontaalisen aivokuoren keskinäisen vuorovaikutuksen merkitystä, joka vaihtelee erityistehtävien vaatimusten mukaan (esim., nimenomainen tunnustaminen muisti tehtävä) ja siksi määrittää Amplitudi havaittu hippokampuksen uutuus (tai tuttuus) signaaleja.

yhteenvetona Hannulan ja Ranganathin tutkimus (2008) täydentää hienosti olemassa olevaa neuropsykologista tietoa hippokampuksen merkityksestä lyhytkestoiselle assosiatiiviselle muistille. Lisäksi esitetyt todisteet tuottavat uusia oivalluksia hippokampuksen vaikutuksesta lyhytkestoiseen muistiin, mikä viittaa siihen, että se osallistuu ensisijaisesti koodaukseen ja hakuun, mutta ei ehkä assosiatiivisen tiedon aktiiviseen ylläpitoon. Yksi tärkeä suunta tulevalle tutkimukselle on kehittää ja testata empiirisesti formaaleja laskennallisia malleja tunnistusmuistista ja automaattisesta uutuuskäsittelystä fMRI: n avulla. Ihannetapauksessa näiden mallien tulisi sisältää MTL-komponentit sekä tehtäväkohtaiset modulatoriset vuorovaikutukset korkeampien alueiden kanssa (esim.etuotsalohko). Tällä tavoin voi olla mahdollista saavuttaa tarkka ymmärrys siitä, miten uutuus ja tuttuus lasketaan MTL: ssä ja miten muut aivoalueet käyttävät näitä signaaleja onnistuneeseen muistitunnistukseen ja havaitsemaan uutuuden automaattisesti aistiympäristössämme.