2014-01-28

1

Biologiczne podstawy zachowań;

genetyka zachowania

Robert K. Filipkowski

[e-mail]

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

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

- warunkowanie (patrz dalej)

Habituacja
Sensytyzacja

Uczenie nieasocjacyjne

Sensytyzacja

stopniowe zwiększanie się reakcji na często powtarzający się bodziec

(np. tarcie ręki powoduje ból)

Habituacja

stopniowe zmniejszanie się i zanik reakcji na często powtarzający się bodziec

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

2014-01-28

2

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?

Warunkowanie klasyczne

Pawłowa

, cd.

wygasanie odruchu warunkowego

–

gdy bodziec warunkowy podawany jest

(wygaszanie)

bez wzmocnienia (bodźca bezwarunkowego)

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 / skinnerowska

Warunkowanie instrumentalne, cd.

połączenie aktywności (naciskanie dźwigni, wsadzanie nosa) z nagrodą (np. pokarm)

kształtowanie (shaping)

– stosowanie sposobów prowokujących zwierzę do wykonania reakcji

instrumentalnej

samokształtowanie (autoshaping)

– wykonywanie przez zwierzęta „zbędnych” czynności

instrumentalnych, np. pukanie przez gołębie w oświetlone okienko zwiastujące pojawienie się
pokarmu lub wody; związane z zachowaniem instynktownym

2014-01-28

3

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

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

2014-01-28

4

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)

Hipokampalne komórki miejsca

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

Uczenie się, poziom komórek

2014-01-28

5

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

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

2014-01-28

6

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

Aplysia – obiekt badań molekularnych mechanizmów procesu

WARUNKOWANIA

połączenia bodźca warunkowego –

łagodny bodziec dotykowy

okolicy

płaszcza

lub syfonu

z bodźcem bezwarunkowym –

drażnieniem nogi prądem

CREB

, białko pamięci

Ślimak morski Aplysia

Długotrwała sensytyzacja i warunkowanie

mają podobne

mechanizmy molekularne

:

- aktywacja

cyklazy adenylanowej

- aktywacja kinazy białkowej A (

PKA

)

- fosforylacja

CREB

(czynnik transkrypcyjny)

- 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)

2014-01-28

7

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

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)

2014-01-28

8

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)

Yoshida i wsp. Frontiers in neural circuits, 2012

por. J.W. Kalat, str. 398

Dobieranie według wzoru

J.W. Kalat, str. 452-462

Uzależnienia

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

2014-01-28

9

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

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)

2014-01-28

10

Depresja - leczenie

1. Leczenie farmakologiczne

główne grupy leków:

selektywne inhibitory wychwytu zwrotnego serotoniny (

SSRI

)

inhibitory monoaminooksydazy (

IMAO

)

trójpierścieniowe leki przeciwdepresyjne (

TLPD

)

2. Psychoterapia
3. (1 + 2)!
4. Elektrowstrząsy
5. Przezczaszkowa stymulacja 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

Metody wywoływania zachowań depresyjnych

•

Agresja rezydenta przeciw intruzowi / stres socjalny

•

Wyuczona bezradność

•

Długotrwały nieprzewidywalny stres / chroniczny łagodny stres

•

Stres

okołonatalny (np. odstawienie osesków od matki)

Testy oceniające poziom zachowań depresyjnych

•

Test Porsolta

/ wymuszonego pływania

•

Test zawieszenia za ogon

•

Test badania anhedonii