2013-01-27
1
Biologiczne podstawy zachowań;
genetyka zachowania
Robert K. Filipkowski
filipkowski@vizja.pl
Uczenie się i pamięć
J.W. Kalat, str. 387-415
Uczenie się
– proces powstawania śladów pamięciowych
(engramów)
Pamięć
– zdolność do przechowywania i wykorzystywania śladów
pamięciowych
Henry Molaison
H.M.
Pacjent H.M.
1926
1933
1953
2008
amnezja wsteczna
- brak długotrwałej pamięci deklaratywnej
- niezaburzona pamięć krótkotrwała
- niezaburzone uczenie proceduralne
WNIOSKI:
- rożne rodzaje pamięci mają rożne podłoże anatomiczne
- formacja hipokampa jest strukturą odpowiedzialną za
formowanie długotrwałej pamięci deklaratywnej
- ślady pamięciowe nie są w niej trwale przechowywane
amnezja wsteczna
– utrata pamięci doznań poprzedzających przyczynę wywołującą niepamięć
amnezja następcza
– zaburzenie tworzenia nowych śladów pamięciowych
Pamięć, tworzenie śladów pamięciowych
(zdolność organizmów do kodowania, przechowywania i odtwarzania informacji)
Etapy procesu pamięci
1. Zapamiętywanie
2. Pamiętanie
3. Przypominanie
Rodzaje pamięci
I. W zależności od czasu utrzymania się śladu pamięciowego
- sensoryczna (np. wzrokowa, słuchowa)
- krótkotrwała (in. świeża, operacyjna)
- długotrwała
II. W zależności od rodzaju zapamiętanej informacji
III. W zależności od stopnia zaangażowania świadomości
Autobiograficzna
Prospektywna (zamiary, plany)
Podział pamięci długotrwałej w zależności od rodzaju zapamiętanej informacji i stopnia
zaangażowania świadomości
Pamięć
Deklaratywna / Opisowa
(najczęściej świadoma)
Proceduralna / nieopisowa
niedeklaratywna (nieuświadomiona)
Epizodyczna
(miejsca, fakty, zdarzenia)
np. przestrzenna
Semantyczna
(fakty i wyobrażenia,
nazwy
)
1. Umiejętności, procedury
2. Nawyki nabyte drogą warunkowania
3. Prymowanie / torowanie / poprzedzanie
4. Habituacja
5. Uwrażliwienie (sensytyzacja)
2013-01-27
2
Rodzaje uczenia się
Percepcyjne
– przez zmysłowe (sensoryczne) zapoznanie się z cechami przedmiotów i środowiska,
prowadzi do powstania pamięci rozpoznawczej
(utworzenia jednostek gnostycznych w korze mózgowej (teoria Konorskiego))
Rodzaje percepcyjnego uczenia się
Uczenie się
utajone
- szczury lepiej sobie radzą z uzyskaniem nagrody w labiryncie,
który wcześniej „zwiedzały”
Wpajanie (imprinting)
- szybkie uczenie się, nabywanie szczególnej formy zachowania
- podążania za matką przez dziecko (Konrad Lorenz)
cechy:
- następuje bez wzmocnienia
- zachodzi w okresie krytycznym
- wystarcza krótkotrwały kontakt
- skutek trwały i nieodwracalny
wpajanie występuje u piskląt kaczek, gęsi, kur
u ssaków
u człowieka (wpajanie tonów serca matki, uspokojenie noworodka)
inne rodzaje wpajania: seksualne (preferencje), topograficzne, socjalne
Rodzaje uczenia się
Asocjacyjne – tworzenie związków (asocjacji) między bodźcami (np. między bodźcem warunkowym i
bezwarunkowym, między bodźcem a reakcją)
Rodzaje asocjacyjnego uczenia się:
- metodą prób i błędów
dominuje w uczeniu się instrumentalnym, eliminacja nieskutecznych, wprowadzanie i powtarzanie
skutecznych zachowań
- przez wgląd
przeorganizowanie uprzedniego doświadczenia i przeniesienie go na aktualną sytuację (znalezienie
wspólnych elementów
- przez naśladowanie
wykonywanie działań obserwowanych u innych osobników, przejęcie cudzego zachowania
Habituacja
stopniowe zmniejszanie się i zanik reakcji na często powtarzający się bodziec
Sensytyzacja
stopniowe zwiększanie się reakcji na często powtarzający się bodziec lub zwiększenie
reakcji po bodźcu bólowym
(np. tarcie ręki powoduje ból)
Torowanie
ekspozycja na bodziec ułatwia uczenie się w przyszłości
Warunkowanie
Odruch warunkowy
– najprostsza forma uczenia się, nabyta (wyuczona) reakcja organizmu na bodziec
Warunkowanie klasyczne
(połączenie bodźca bezwarunkowego i obojętnego (warunkowego))
Bodziec bezwarunkowy (np. jedzenie)
Bodziec warunkowy (np. dźwięk)
Иван Петрович Павлов
Elsevier
Wikipedia
Iwan Pawłow
Warunkowanie strachu (opóźnione)
(
Delayed fear conditioning
)
Trening
120/150 sec.
CS
15 sec.
Test
A
CS
B
US
2 sec.
CS
US
na bodźce wyodrębnione /
cue
na bodźce ciągłe /
context
Warunkowanie klasyczne
Pawłowa
, istota
u (psów) Pawłowa
reakcja warunkowa (odruch warunkowy) taka sama jak odruch bezwarunkowy (ślinienie się)
Fałszywe przekonanie o identyczności odruchu warunkowego i bezwarunkowego
Inaczej w przypadku:
- warunkowanie strachu (wzmożona ruchliwość vs. znieruchomienie)
-
awersji do smaku pokarmu
(nudności vs. unikanie pokarmu)
chlorek litu
Antabus, Esperal
Leki wywołujące efekt awersyjny po wypiciu alkoholu.
Dlaczego nie działają?
2013-01-27
3
Warunkowanie klasyczne – warunkowanie odruchu mrugnięcia
(zamykania powieki / migotki)
• badany u ludzi i królików (i szczurów)
• bodziec akustyczny kojarzony z
podmuchem powietrza
(lub drażnieniem elektrycznym)
• bodziec akustyczny wywołuje mrugnięcie
• warunkowanie
zależne od móżdżku
Warunkowanie instrumentalne
połączenie aktywności ruchowej (naciśnięcie dźwigni, wsadzenie nosa)
z nagrodą lub uniknięciem kary
Burrhus Frederic Skinner
Wikipedia
klatka Skinnera
Labirynt wodny Morrisa
PROBE
TRIAL
czas (s)
PRÓBA
TESTOWA
ćwiartka docelowa
(target quadrant, TQ)
liczba przecięć (#)
0
1
2
3
0
10
20
30
TQ inne
TQ inne
Uszkodzenie formacji hipokampa powoduje zaburzenia pamięci u zwierząt
wykonujących labirynt wodny Morrisa
Hipokampalne komórki miejsca
2013-01-27
4
komórki trójkątnej przestrzennej matrycy
komórka siatki/matrycy (grid cell)
komórka miejsca
pole CA formacji hipokampa
kora śródwęchowa
badano komórki w formacji hipokampa
„komórka Jennifer Aniston”
„komórka Halle Berry”
„komórka gmachu opery w Sydney”
jednostki gnostyczne (Konorski, 1967)
komórki babci (Lettvin, 1969)
neurony lustrzane – kora ruchowa
Donald Hebb
When an axon of cell A is near enough to
excite cell B and repeatedly or persistently take
part in firing it, a growth process of metabolic
change takes place in one or both cells such
that A's efficacy, as one of the cells firing B, is
increased (Hebb, 1949).
Synapsa hebbowska,
J.W. Kalat, str. 408
Procesy komórkowe odpowiedzialne za tworzenie pamięci
1. Wykrywanie
równoczesności
2. Powiązanie
3. Konsolidacja
drogi sygnałowe w komórce
kinazy
transkrypcja genów
pamięć
krótkotrwała
STM
pamięć
długotrwała
LTM
pamięć długotrwała
LTM
hamowana przez inhibitory syntezy RNA i białek
Ślimak morski Aplysia
obiekt badań molekularnych mechanizmów
procesów uczenia się
niewiele (2 x 10
4
) neuronów
w 10 zwojach
duże, rozpoznawalne
(typ neuroprzekaźnika)
Eric Kandel
J.W. Kalat, str. 409-411
2013-01-27
5
Ślimak morski Aplysia
odruch cofania
skrzela
bodziec dotykowy
:
strzyknięcie strugi wody
lub drażnienie pędzelkiem
syfonu
skrzela
syfon
noga
Ślimak morski Aplysia
obiekt badań molekularnych mechanizmów procesu
HABITUACJI
-
wielokrotne powtarzanie bodźca dotykowego
powoduje
osłabienie odruchu
- przykład osłabienia
homosynaptycznego
(wielokrotna stymulacja danej synapsy powoduje osłabienie siły
tej samej synapsy
)
habituacja
krótkotrwała
– na kilka minut, zmniejszenie wydzielania
neuroprzekaźnika
habituacja
długotrwała
– na kilka tygodni, zależna od
syntezy białka
,
zmniejszenie
liczby synaps
Ślimak morski Aplysia
obiekt badań molekularnych mechanizmów procesu
SENSYTYZACJI
-
zwiększenie intensywności reakcji odruchowej
na skutek działania bodźca bólowego
po uprzedniej habituacji
- przykład procesu
heterosynaptycznego
(aktywacja dodatkowych neuronów –
wstawkowych interneuronów torujących
)
sensytyzacja
krótkotrwała
– na kilka minut, po pojedynczym drażnieniu
sensytyzacja
długotrwała
– na kilka tygodni, po wielokrotnym drażnieniu
Molekularne mechanizmy procesu
SENSYTYZACJI
neuron torujący
serotonina
2 rodzaje receptorów
metabotropowych
1. powiązane z białkami G
i cAMP;
kinaza białkowa A
2. powiązane z białkami G
i fosfolipazą C,
diacyloglicerol,
kinaza białkowa C
fosforylacja kanałów
jonowych potasowych
i wapniowych przez obie
kinazy
zwiększenie uwalniania
glutaminianu
neuron czuciowy
neuron ruchowy
Ślimak morski Aplysia
obiekt badań molekularnych mechanizmów procesu
WARUNKOWANIA
połączenia bodźca warunkowego –
łagodny bodziec dotykowy
okolicy
płaszcza
lub syfonu
z bodźcem bezwarunkowym –
drażnieniem nogi prądem
zaangażowane komórki pre-
i postsynaptyczne
płaszcz
noga
przed
treningiem
po
treningu
CS poprzedza US
Aplysia – obiekt badań molekularnych mechanizmów procesu
WARUNKOWANIA
połączenia bodźca warunkowego –
łagodny bodziec dotykowy
okolicy
płaszcza
lub syfonu
z bodźcem bezwarunkowym –
drażnieniem nogi prądem
2013-01-27
6
CREB
, białko pamięci
Ślimak morski Aplysia
Długotrwała sensytyzacja i warunkowanie
mają podobne
mechanizmy molekularne
:
- aktywacja cyklazy adenylanowej
- aktywacja kinazy białkowej A (PKA)
- fosforylacja CREB, wiązanie z CRE
(sekwencja odpowiedzi na cAMP)
- zmiana ekspresji genów, konsekwencje:
- długotrwała aktywność PKA
- tworzenie nowych synaps
neuron torujący
neuron czuciowy
neuron ruchowy
CREB
, białko pamięci
Ślimak morski Aplysia
W przypadku
warunkowania
cyklaza adenylanowa jest detektorem równoczesności
1. aktywowana przez serotoninę (skutek US)
2. przez jony wapnia (i kalmodulinę) pojawiające się w
neuronie czuciowym po działaniu CS
neuron torujący
neuron czuciowy
neuron ruchowy
CS poprzedza US
Zmiana liczby synaps
(+ warunkowanie)
Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne
(long-term potentiation,
LTP
)
zwiększenie skuteczności pobudzającego działania synapsy na neuron utrzymujące się
przez kilka dni lub tygodni
odkrywca –
Tim Bliss
(1973)
efekt – zwiększenie postsynaptycznego potencjału pobudzającego (
EPSP
)
LTP vs. LTD
J.W. Kalat, str. 411-415
Hipokamp
Hipokamp (formacja hipokampa)
CA
zakręt zębaty
2013-01-27
7
CA3
CA1
zakręt zębaty
porpora
CA3
CA1
zakręt zębaty
kora
Hipokamp (formacja hipokampa); połączenia
kolaterale Schaffera
włókna mszyste (MF)
droga przeszywająca (PP)
kolaterale Schaffera
włókna mszyste (MF)
droga przeszywająca (PP)
zakręt zębaty
CA3
CA1
zakręt zębaty
kora
Hipokamp (formacja hipokampa); połączenia
włókna mszyste (MF)
kolaterale Schaffera
włókna mszyste (MF)
droga przeszywająca (PP)
droga przeszywająca (PP)
kolaterale Schaffera
Sposoby wywołania LTP
(
drażnienie seriami/paczkami impulsów; stymulacja tężcowa,
wszystkie neurony pobudzające (glutaminian)
)
drażnienie drogi przeszywającej
odbieranie potencjału w zakręcie zębatym
drażnienie włókien mszystych
odbieranie potencjału w CA3
drażnienie kolaterali Szafera
odbieranie potencjału w CA1
np.:
Kluczowe zdarzenia molekularne
podczas
indukcji LTP
- jony Na i K przepływają przez
receptory AMPA
- aktywacja kinaz
CaMKII
i PKC
zwykła transmisja synaptyczna
LTP
- receptory NMDA zablokowane (Mg
2+
)
- depolaryzacji błony postsynaptycznej
dzięki stymulacji i receptorom AMPA
- odblokowanie (Mg
2+
) receptorów NMDA
- napływ jonów wapnia
przez receptory NMDA
- fosforylacja receptorów AMPA przez CaMKII –
zwiększenie ich wrażliwości na glutaminian
- powstanie zwrotnych przekaźników wtórnych (NO?)
wykrywanie równoczesności: depolaryzacji
błony postsynaptycznej
i aktywacji komórki presynaptycznej
(uwolnienia glutaminianu)
Kluczowe zdarzenia molekularne
podczas
długotrwałego LTP
- wyrzut glutaminianu
- aktywacja receptorów NMDA
- napływ jonów wapnia
- aktywacja cyklazy adenylanowej
- aktywacja
kinazy białkowej A
- fosforylacja białka
CREB
- zmiany w ekspresji genów
BDNF
tPA – tkankowy aktywator plazminogenu
Formacja hipokampa
1. Pamięć przestrzenna (labirynt Morrisa,
labirynt promienisty
; taksówkarze londyńscy)
2. Komórki miejsca
3. Komórki babci / jednostki gnostyczne
4. Pamięć deklaratywna (H.M., odroczone dobieranie według/nie według wzoru)
5. Neurogeneza (zakręt zębaty)
6. Uczenie się konfiguratywne i scalanie (
J.W. Kalat, str. 400-401
)
7. Wpływ na nastrój (hamowanie osi stresu)
2013-01-27
8
Yoshida i wsp. Frontiers in neural circuits, 2012
por. J.W. Kalat, str. 398
Dobieranie według wzoru
J.W. Kalat, str. 452-462
Uzeleżnienia
James Olds, Peter Milner
(odkrycie przez przypadek)
Chcieli zbadać efekt awersyjny drażnienia tworu siatkowatego.
Nie trafili. Trafili w przegrodę.
- preferencja miejsca
- zachowanie w klatce Skinnera
Stany przyjemności i przykrości wywołane drażnieniem mózgu
Układ nagrody; mózgowy
układ nagrody
drażnienie określonych struktur sprawia zwierzętom przyjemność
samodrażnienie/samonagradzanie
(wzmocnienie w odruchu instrumentalnym)
drażnienie elektryczne
u pacjentów, w celach diagnostycznych
(przyjemność, poprawa samopoczucia, odprężenie, zadowolenie, uczucie uniesienia,
lekkości i siły)
przeważnie przyjemność „abstrakcyjna”
drażnienie przegrody – przyjemne doznania seksualne
Układ nagrody – główną rolę odgrywa układ dopaminergiczny
i opioidergiczny
www.sigmaaldrich.com
wzgórze
przegroda / jądro
półleżące
ciało
migdałowate
pole brzuszne
nakrywki
gałka
blada
podwzgórze
kora
przedczołowa
MFB
pęczek przyśrodkowy przodomózgowia
Samodrażnienie –
naciskanie dźwigni zamykające obwód drażnienia
ICSS
– intracranial self stimulation
www.sigmaaldrich.com
wzgórze
ciało
migdałowate
pole brzuszne
nakrywki
gałka
blada
podwzgórze
przegroda /
jądro
półleżące
kora
przedczołowa
2013-01-27
9
Samopodawanie substancji psychoaktywnych (
dożylne i domózgowe
)
www.sigmaaldrich.com
wzgórze
ciało
migdałowate
pole brzuszne
nakrywki
gałka
blada
podwzgórze
opiaty
psychostymulanty
alkohol etylowy
przegroda / jądro
półleżące
nikotyna
opiaty
psychostymulanty
podobieństwo samodrażnienia i samopodawania u zwierząt i
poszukiwania substancji uzależniających u ludzi
(pozytywne wzmocnienie emocjonalne,
zachowania poszukiwawcze, uzależnienie
psychiczne i fizyczne prowadzące nawet
do samozagłady)
J.W. Kalat, str. 464-471
Zaburzenia nastroju
(depresja)
zaburzona zdolność do odczuwania przyjemności
poważna jednostka chorobowa, powinna być leczona
Depresja
Objawy
(istotne zwłaszcza, gdy zakłócają codzienne funkcjonowanie):
• Długotrwałe uczucie smutku lub nieuzasadnione napady płaczu
• Znaczne wahania apetytu i przebiegu snu
• Drażliwość, ataki złości, zamartwianie się, roztrzęsienie, niepokój,
• Pesymizm, obojętność
• Utrata energii i entuzjazmu, ciągła ospałość
• Poczucie winy, nieprzydatności, beznadziejności, bezsilności
• Niezdolność do koncentracji i podejmowania decyzji
• Brak odczuwania przyjemności przy wykonywaniu czynności, które wcześniej sprawiały
radość (
anhedonia
)
• Wycofanie się z życia towarzyskiego, zrywanie kontaktów międzyludzkich, izolacja
• Niewytłumaczalne dolegliwości i bóle
• Uporczywe myśli o śmierci i samobójstwie
• Utrata pamięci
Źródło: National Institute of Mental Health
Depresja – przyczyny (hipotezy)
1.
Niedobór noradrenaliny i serotoniny
2. Nadmiar cAMP i pochodnych fosfatydyloinozytolu (PI) w komórkach
3. Uszkodzenie komórek nerwowych przez hormony
stresu
, gł.
kortyzol
- zmniejszenie formacji hipokampa
, zahamowanie neurogenezy
4. Wzmożona aktywność
- prawej okolicy przedczołowej
-
zakrętu obręczy, obszar 25
- wzgórza
- ciała migdałowatego
5. Zmniejszenie aktywności:
- zakrętu skroniowego środkowego
- kory mózgu na granicy płatów skroniowego i potylicznego
- lewej okolicy przedczołowej
- czynniki dziedziczne (por. Kalat, str. 464)
- zdarzenia życiowe (por. Kalat, str. 465)
Depresja - leczenie
1. Leczenie farmakologiczne
2. Psychoterapia
3. 1 + 2
4. Elektrowstrząsy
5. Przezczaszkowa stymlacja magnetyczna
6. Głęboka stymulacja mózgu (eksperymentalna), cel – np. część kory obręczy (pole 25.
wg Brodmanna – okolica zakrętu obręczy położona pod kolanem ciała modzelowatego,
ang. subgenual cingulate region)
Depresja – modele zwierzęce
Testy oceniające poziom zachowań depresyjnych
1. Test Porsolta / wymuszonego pływania
2. Test zawieszenia za ogon
3. Test badania anhedonii