Hvernig starfar minnið?

Hvernig ber heilinn sig að við að varðveita minningar?Vísindamenn hafa um áraraðir reynt að skýra hvernig við erum fær um að munamikilvæga hluti en gleyma öðrum. Og á síðustu árum hafa ótal rannsóknir á bæðiheilbrigðum manneskjum og persónum með alvarlegt minnisstol hjálpað fræðimönnumað afmarka svarið.

Minnið er vafalítið einn mikilvægasti eiginleiki heilans. Án þess værum við ófær um að læra nokkuð. Við gætum ekki kallað fram minningar frá síðasta sumarfríi, og um leið og við værum sest inn í bílinn værum við búin að gleyma hvert förinni væri heitið.  

En þetta er aðeins toppurinn á ísjakanum, því minnið sér einnig um að við getum yfirhöfuð starfað dags daglega. Þegar heyrnin nemur hljóð, snertiskynið finnur fyrir snertingu, eða sjónin skynjar hreyfingu útundan sér þá eiga þessi skynáreiti sér stað á sekúndubroti áður en taugaboðin deyja út. Heilinn þarf hins vegar lengri tíma til að tileinka sér þessi áreiti, ráða í samhengi þeirra, tengja þau við fyrri reynslu og ákvarða hvort bregðast þurfi við þeim. Ef minnið sæi ekki um að halda í þessi skynáreiti gæti heilinn alls ekki unnið úr þeim áður en þau væru horfin út í buskann.

Fræðimenn greinir á um skilgreiningar

Hið svonefnda vinnsluminni er oft skilgreint sem það sem við beinum athygli okkar að á tilteknu augnabliki og því geymir það aðeins afar litlar upplýsingar sem skiptast út mörgum sinnum á sekúndu. Vinnsluminnið er því nauðsynlegt til að við getum yfirhöfuð tengt okkur við umheiminn meðan skammtíma- og langtímaminnið sér til þess að við getum nýtt þessar upplýsingar og gleymum ekki fyrstu orðum í setningu áður en við náum að ljúka henni. Eins að við getum munað textann næsta dag eða jafnvel mörgum árum seinna.

Þrátt fyrir að flestir fræðimenn séu sammála um að minnið hvíli á þessum þremur grunnstólpum þá leikur meiri vafi á hvar beri að draga mörkin milli þeirra og hvernig þeir vinna saman. Margir fræðimenn hafa því gefist upp á að greina á milli vinnslu- og skammtímaminnis þar sem sérkenni beggja er að vera ákaflega hverful. Ólíkt langtímaminninu sem í raun getur geymt feiknarlegt magn upplýsinga í ótakmarkaðan tíma þá er skammtímaminnið talið vera mun takmarkaðra, bæði hvað varðar geymslurými og endingu. Þegar árið 1956 komst George Miller við Harvard University í Massachusetts, BNA, að þeirri niðurstöðu að skammtímaminnið takmarkast við um 7 þætti í 20 sekúndur, en nýjar rannsóknir benda til að það geti varla geymt meira en 4 þætti í senn. Sé okkur sýndar t.d. tölurnar „3,7,2,“ getum við einatt endurtekið þær í réttri röð. En ef fjöldi talnanna er tvöfaldaður eða jafnvel þrefaldaður er mun erfiðara að muna þær.

En viðlíka tilraunir má gera með margvíslegum hætti og niðurstöðurnar veita færi á nánast jafnmörgum túlkunum. Sem dæmi hefur komið í ljós að skammtímaminnið vinnur með upplýsingar í afmörkuðum þáttum, sem geta ekki einungis verið ein tala eða einn bókstafur, heldur einnig stutt talnaruna, stafsetning eða heilt orð sem við skynjum þegar sem eina einingu. Oft reynist erfitt að muna 8 talna símanúmer sem 8 sjálfstæðar tölur, en sé þeim skipt upp í tvo 4 talna flokka þarf skammtímaminnið nú aðeins að halda til haga tveimur þáttum – sú aðferð að flokka staka þætti í litlu stærri samhangandi flokka er á ensku nefnt „chunking“, og er skilvirk aðferð til að víkka út getu skammtímaminnisins sem við nýtum bæði ómeðvitað sem meðvitað.

Skammtímaminnið reiðir sig jafnan á að einstaka þætti megi skilja sem eitthvað vel þekkt og afmarkað. Tilraunir hafa sýnt að mun auðveldara er að muna orð sem eru algeng í venjulegu talmáli en þau sem eru fágætari. Hið sama á við um teikningar sem sýna raunverulega hluti fremur en afstæðar myndir, rétt eins og auðveldara er að muna andlit þekktra manna, en myndir af framandi fólki.

Hið síðastnefnda var rannsakað af Margaret C. Jackson og Jane E. Raymond við University of Wales Bangor í Bretlandi, árið 2008. Þátttakendur áttu að horfa á skjá sem sýndi mósaík af 10 litlum myndum með ólíkum andlitum. Þessu næst kom stutt hlé en síðan birtist mósaíkmyndin á ný. Þátttakendur áttu nú að muna í hvaða tilfellum var um sömu mynd að ræða. Í einu tilviki voru andlitin af óþekktum manneskjum en í hinu mátti sjá frægt fólk eins og Johnny Depp, Brad Pitt og Leonardo DiCaprio. Í ljós kom að þegar um fræga fólkið var að ræða gátu þátttakendur ekki bara munað fleiri andlit – þeir voru einnig skjótari til svara um hvort mósaíkmyndin sýndi sömu andlit eður ei.

Nýjar minningar keyra í lykkju

Rannsóknir undanfarinna áratuga hafa sýnt að við eigum auðveldara með að muna merkingarbær og auðþekkjanleg orð eða myndir, þar sem skammtímaminnið nýtir sér endurtekningu til minnisfestingar. Þetta felur í sér að þegar við erum nýbúin að heyra orð, endurtekur innri rödd í heilanum það hvað eftir annað svo orðið er stöðugt rifjað upp fyrir hverfult skammtímaminnið. Þessi kenning kom fyrst fram árið 1974 hjá Alan B. Baddeley og Graham Hitch við University of Stirling í Skotlandi. Þeir notuðu hugtakið „hljóðræna lykkjan“ til að lýsa þessari innri endurtekningu orðanna meðan „sjónræna teikniborðið“ var látið ná yfir samsvarandi endurtekningu mynda í innri sýn okkar. Þannig geta orð, myndir og aðrar upplýsingar fest sig í sessi í skammtímaminninu, en hætti endurtekningin hverfa minningarnar á fáeinum sekúndum.

Heilinn notar þannig mismunandi aðferðir til að muna orð og myndir og þetta er ástæða þess að mörg okkar fá á tilfinninguna að geta munað suma hluti miklu betur en aðra. Í fyrrnefndri tilraun þeirra Jackson og Raymonds leituðust þeir við að rannsaka hvaða aðferð þátttakendur nýttu til að muna andlitin. Í einu afbrigði tilraunarinnar fengu þeir fyrst að sjá 2 eða 4 tölur sem þeir áttu að reyna að muna með því að endurtaka þær upphátt á meðan þeir fóru í gegnum afganginn af tilrauninni og skoðuðu andlitin. Þannig var hljóðræna lykkjan þeirra upptekin af því að muna tölurnar og hafði þannig takmarkaðri kost á að festa jafnframt andlitin í minninu. Þegar hljóðræna lykkjan var þannig slegin út, kom það bersýnilega niður á getunni til að muna óþekkt andlit, meðan hæfileikinn til að muna eftir fræga fólkinu skertist í minna mæli. Vísindamennirnir túlka niðurstöðurnar þannig að menn geti í sjónhendingu borið kennsl á þekktu andlitin og því endurtekið þau með aðstoð sjónræna teikniborðsins meðan óþekkt andlit er að líkindum munað með því að tengja lýsandi orð við það, t.d. „stórt nef“, „græn augu“, „dökkt hár“ o.s.frv.

Endurtekning byggir varanlegar minningar

Með aðstoð hljóðrænu lykkjunnar og sjónræna teikniborðsins má festa minningu í skammtímaminninu en hvorar tveggja aðferðanna taka drjúgan skerf af geymslugetu heilans og vinnsluferlum, og eru því ekki heppilegar til að muna nokkuð í meira en fáeinar sekúndur.

Þess vegna hlerar langtímaminnið hljóðrænu lykkjuna og gægist jafnframt yfir á sjónræna teikniborðið þegar skammtímaminnið endurtekur minningar okkar. Segja má að skammtímaminnið læri skjótt en muni illa, meðan langtímaminnið lærir hægt en man ótrúlega lengi. Til að minning nái að skjóta rótum í langtímaminninu þarf því að endurtaka hana margsinnis. Vísindamenn telja að þessi endurtekning fari fyrst fram í hljóðrænu lykkjunni og á sjónræna teikniborðinu, en síðan taki langtímaminnið við minningunni og endurtaki hana sjálft fyrir sig.

Þegar árið 1966 gerðu Murray Glanzer og Anita R. Kunitz við New York University í BNA tilraun sem auðsýndi hvernig minninu er skipt upp í tvö ólík ferli, skammtímaminnið og langtímaminnið. Þau sýndu í skamma stund þátttakendum 20 orð í senn og þessu næst áttu þátttakendurnir að endurtaka orðin að eigin vild. Niðurstaða tilraunarinnar var skýr: þátttakendurnir mundu flest orðin frá byrjun og enda orðarununnar, en gekk illa með orðin í miðjunni. Ályktun fræðimannanna var sú að fyrstu orðin hefðu þegar verið komin yfir í langtímaminnið meðan síðustu orðin voru ennþá stödd í skammtímaminninu. Orðin í miðju rununnar voru hins vegar á gráu svæði þar sem unnið var að yfirfærslu þeirra frá einni gerð minnisins yfir í aðra og því voru þau ekki enn tryggilega föst í sessi.

Margvíslegar gerðir minnis

Rétt eins og skipta má skammtímaminninu í hljóðrænu lykkjuna og sjónræna teikniborðið þá greina vísindamenn einnig langtímaminnið í fleiri undirflokka. Lengdarminnið geymir minningar um atburði sem við höfum upplifað eða verk sem við höfum framkvæmt. Í því er að finna okkar persónulegu reynslu, minningar úr æsku eða upplifun frá síðasta sumarfríi. Merkingaminnið geymir hins vegar ýmis konar staðreyndir sem við vitum; t.d. að 2 plús 2 eru jafnt og 4, að snjór er hvítur ásamt nöfnum ættingja okkar. Lengdarminnið og merkingaminnið eru oft sett saman í eina hugkví sem nefnd er ljóst minni og nær yfir alla þá þekkingu sem meðvitund okkar hefur yfir að ráða. Við þekkjum m.ö.o. nákvæmlega innihaldið í lengdarminninu og ef einhver spyr okkur „hvað gerðir þú í gær?“ þá höfum við svarið á reiðum höndum.

Aðferðaminnið er hins vegar annars eðlis og geymir alla uppsafnaða þekkingu okkar um hvernig við framkvæmum mismunandi hluti. Í því er að finna t.d. upplýsingar um hvernig fingurnir skulu hreyfa sig yfir píanóborðið til að spila Tunglskinssónötu Beethovens. Þessa þekkingu notum við án umhugsunar og það er jafnan afar örðugt að tjá hana í orðum, rétt eins og torvelt getur verið að svara spurningunni: „hvernig ferð þú að því að hjóla?“

Þessir þrír undirflokkar langtímaminnisins eiga sameiginlegt að þeir seilast aftur í tímann og gera okkur kleift að muna hluti sem við höfum þegar upplifað, lært, eða framkvæmt. Fyrir vikið eru þau nefnd afturhverf minni sem greina sig frá framsækna minninu. Það beinist fram á við og fær okkur til að muna hluti sem við hyggjumst gera. Að morgni dags viljum við t.d. muna að fara til vinnu og ef við hittum yfirmanninn viljum við muna að óska honum til hamingju með afmælisdaginn. Meðan afturhverfar minningar kallast fram þegar við þurfum á þeim að halda – t.d. aðspurð um heimilisfang – þá krefst framsækna minnið eins konar „stikkorða“ til að laðast fram í meðvitundina.

Stikkorðið getur verið tiltekinn tími dags, þannig að á hverjum morgni munum við að fara til vinnu þar sem það að vakna, klæða sig og borða morgunmat minnir okkur á að það hljóti að vera venjulegur vinnudagur. Ef stikkorðið kemur á röngum tímapunkti, t.d. þegar við vöknum upp eftir miðdegislúr, getum við stundum látið gabbast og talið okkur þurfa að halda til vinnu. Stikkorðin eru því nauðsynleg til að kalla fram minningar svo að hjálpa megi framsækna minninu, t.d. með aðstoð annarra stikkorða í formi minnismiða eða með kroti á handarbakið. Stundum nægir miði á ísskápshurðinni þar sem aðeins stendur „muna að kaupa í matinn“, til að minna okkur á hvaða matvörur við þurfum að kaupa.

Vísindamenn skyggnast djúpt í heilann

Allar þessar fjölmörgu gerðir minnisins virka hver með sínum hætti og reiða sig á taugaboð úr mismunandi svæðum heilans. Þess vegna verða menn áskynja um alls konar gerðir minnisstols hjá sjúklingum, sem hafa t.d. orðið fyrir heilablóðfalli eða slysum er skaðað hafa hluta heilans.

Um áratuga skeið hafa sjúklingar með heilaskaða eða annars konar gerðir minnisstols verið helsta verkfæri vísindamanna við að rannsaka hvaða hlutar heilans taka þátt í að muna. Á síðustu áratugum hafa vísindamenn auk þess getað nýtt sér fMRI, EEG og aðrar gerðir heilaskönnunar, og þrátt fyrir að ekki sé búið að staðsetja sæti minnisins í heilanum þá er komin fram óljós mynd.

Hvað langtímaminnið varðar er heilastöðin drekinn og aðrar stöðvar í miðlægu svæði gagnaugablaðsins afar mikilvægar. Þessi hluti heilans sér um ljósa minnið meðan aðferðaminnið er að líkindum staðsett í litla heila og botnkjörnunum, en það eru tvö hringlaga svæði, hvort í sínu heilahveli.

Árið 2007 greindi Charan Ranganath við University of California í BNA niðurstöður úr fjölmörgum eldri rannsóknum og komst að þeirri niðurstöðu að einstaka gerðir langtímaminnisins eigi sér sæti í miðlægu svæði gagnaugablaðsins, og að þau vinni stöðugt saman til að mynda heildarminningu. T.d. kom í ljós að tiltekið lítið heilasvæði gegnir meginhlutverki fyrir getuna til að bera kennsl á andlit meðan taugavirkni í drekanum er nauðsynleg til að tengja þetta þekkta andlit við tiltekna persónu.

Heilinn man það sem við höfum gleymt

Sharan Ranganath gerði ásamt Deborah Hanvilla aðra tilraun árið 2009 þar sem þau gátu sýnt að langtímaminnið er í sumum tilvikum fært um að muna hluti sem við sjálf erum ekki meðvituð um.

Þau létu þátttakendur skoða röð af pöruðum myndum með andliti og landslagi. Síðar fengu þeir að sjá mynd af landslagi ásamt þremur andlitum og áttu þá að velja það andlit sem áður hafði verið parað við viðkomandi landslag. Meðan þær framkvæmdu þennan hluta tilraunarinnar voru heilar þátttakenda skimaðir með fMRI og á sama tíma voru augnhreyfingar þeirra yfir andlitin þrjú kortlagðar. Í flestum tilvikum dvöldu augun lengst við rétta andlitið, óháð því hvort þátttakandinn valdi þá mynd eður ei. Og þegar áður en augun völdu með þessum hætti rétta andlitið, afhjúpaði skönnunin að þetta myndi gerast. Niðurstaðan bendir því til að langtímaminnið búi yfir „eigin vilja“ sem getur borið kennsl á fyrirbæri og samhengi, en að æðri ferli í meðvitundinni geti dregið minninguna í vafa og valið aðra mynd. Þetta er sambærilegt fyrirbæri – en þó ekki alveg það sama – og þegar við segjum: „ég á nú að vita svarið“, en getum samt ekki mótað það í meðvitund okkar.

Langtímaminninu má líkja saman við vélbúnað tölvu að því leyti að það grundvallast á taugatengingum í heilanum. Minning er þannig kóðuð með taugafrumum sem mynda afmörkuð tauganet á sambærilegan máta eins og tengja má rafleiðslur þannig að ljós kviknar þegar þrýst er á rofa. Er skipt er um leiðslu og einingar getur rofinn einnig framkallað hljóð. Með sama hætti mynda sumar taugafrumur tengingar við aðrar svo þær framkalla tiltekna minningu úr sumarfríinu við að virkjast af taugaboði, meðan aðrar taugar eru tengdar þannig að þær muna t.d. stærðfræðijöfnu.

Þegar festa þarf minningu í sessi í langtímaminninu getur það gerst á margvíslegan máta. Taugafruma getur t.d. myndað fleiri tengingar við aðrar taugafrumur og búið þannig til nýtt tauganet. Önnur aðferð felst í að stýra taugatengingum sem eru þegar til staðar í heilanum þannig að taugaboðið fari með meiri hraða um heilann. Það má hafa áhrif á þetta ferli með kemískum efnum. Hollenskir vísindamenn hafa þannig notað lyfið ampakín til að láta heilbrigða taugunga í eldri borgurum breyta sér þannig að skammtímaminnið batnaði um heil 68%. Vísindamenn vonast nú til að nota þetta lyf gegn Alzheimer. En þessi mikla bæting á skammtímaminninu kostaði sitt. Langtímaminni þátttakendanna versnaði nefnilega um 20%.

Við munum afar hægt

Þar sem að ferlin að baki langtímaminninu eiga það sameiginlegt að reiða sig á umbyggingu á taugafrumunum er minnisfesting í langtímaminninu hægfara ferli sem getur tekið margar klukkustundir. Á móti kemur að minningin er nánast varanleg eftir þetta, enda er hún bókstaflega byggð inn í heilann. Málum er öðruvísi háttað með skammtímaminnið sem er einungis til í formi virks taugaboðs. Til að halda í minningu um t.d. andlit, þurfa allar þær taugar, sem í fyrstu eiga þátt í að móta myndina af andlitinu fyrir innri sýn okkar, að virkjast hvað eftir annað. Þannig getum við í skamma stund munað eftir andliti á manneskju sem gengur framhjá okkur, en ef heilinn metur sem svo að hún sé óáhugaverð stöðvast þessi innri myndasýning. Til að muna andlitin lengur þarf heilinn að láta myndasýninguna halda áfram og leyfa langtímaminninu að fylgjast með svo minningin geti smám saman flust yfir í varanlega geymslu.

Skammtímaminnið er því afar flókið ferli og krefst virkrar samvinnu skynjunar, athyglisgáfu okkar og mati heilans á því hvað beri að muna, stöðugri endurtekningu og að lokum aðkomu langtímaminnisins. Ráðandi þáttur í leyndardómnum að baki góðu skammtímaminni felst í að geta síað burt þau ótal gagnslausu skynáreiti sem við verðum stöðugt fyrir.

Árið 2010 ályktaði Jason Chein við Temple University í Philadelphiu, BNA að 4 svæði heilans skipti sköpum fyrir skammtímaminnið. Öll er þau að finna í fellingum heilabarkarins og Chein komst að því að eins konar stjórnstöð fremst í heilanum vaktar stöðugt upplýsingastreymi frá skynfærunum og stýrir hvert athyglinni skuli beint. Athyglina er trúlega að finna í hnakkablaðinu, en þar eru áreiti frá skynfærunum samhæfð og síðan send áfram til hliðarflatar framennisblaðsins, þar sem þau eru flokkuð í nytsama og gagnslausa þekkingu. Meðan á þessu stendur er minningunni haldið við með því að endurtaka hana í sífellu á tilteknu svæði aftast í ennisblaðinu.

Þetta líkan af skammtímaminninu er aðeins eitt margra sem vísindamenn velta fyrir sér. En þeir eru sammála um að skammtímaminnið gegnir mikilvægu hlutverki fyrir getuna til að senda minningar yfir í langtímaminnið. Þetta þýðir m.ö.o. að þegar við upplifum eða lærum eitthvað nýtt þá ræðst á fáeinum sekúndum hvort við verðum fær um að muna það í langan tíma eður ei.

Þrátt fyrir að vísindamenn hafi smám saman öðlast góða innsýn í hvernig minnið virkar eru enn þá margar ráðgátur óleystar. Sem dæmi vita menn ekki hvort ein stök taugafruma sjái um að muna einstakt fyrirbæri eða hvort hún taki þátt í öðrum tauganetum til að muna fjölbreyttari fyrirbæri. Því má aðeins geta sér til um samanlagt geymslurými minnisins og til að líkja því við tölvu hafa menn komið fram með tölur allt frá 10 GB yfir í hina stjarnfræðilegu 108422 GB ( talan 1 með 8.422 núllum fyrir aftan).

Með slíkt minni til ráðstöfunar getur verið erfitt að skilja hvernig maður getur gleymt brúðkaupsdegi sínum eða hvar maður lagði frá sér lyklana.

Birtist fyrst í Lifandi Vísindi