2014-01-28
Uczenie się i pamięć
J.W. Kalat, str. 387-415
Uczenie się  proces powstawania śladów pamięciowych
Biologiczne podstawy zachowań;
(engramów)
genetyka zachowania
Pamięć  zdolność do przechowywania i wykorzystywania śladów
pamięciowych
Robert K. Filipkowski
[e-mail]
Rodzaje uczenia się Rodzaje uczenia się
Asocjacyjne  tworzenie związków (asocjacji) między bodz
cami (np. między bodz
cem warunkowym i
Percepcyjne  przez zmysłowe (sensoryczne) zapoznanie się z cechami przedmiotów i środowiska, bezwarunkowym, między bodz
cem a reakcją)
prowadzi do powstania pamięci rozpoznawczej
(utworzenia jednostek gnostycznych w korze mózgowej (teoria Konorskiego)) Rodzaje asocjacyjnego uczenia się:
- metodą prób i błędów
Rodzaje percepcyjnego uczenia się dominuje w uczeniu się instrumentalnym, eliminacja nieskutecznych, wprowadzanie i powtarzanie
Uczenie się utajone skutecznych zachowań
- szczury lepiej sobie radzą z uzyskaniem nagrody w labiryncie,
który wcześniej  zwiedzały - przez wgląd
Wpajanie (imprinting) przeorganizowanie uprzedniego doświadczenia i przeniesienie go na aktualną sytuację (znalezienie
- szybkie uczenie się, nabywanie szczególnej formy zachowania wspólnych elementów
- podążania za matką przez dziecko (Konrad Lorenz)
cechy: - następuje bez wzmocnienia - przez naśladowanie
- zachodzi w okresie krytycznym wykonywanie działań obserwowanych u innych osobników, przejęcie cudzego zachowania
- wystarcza krótkotrwały kontakt
- skutek trwały i nieodwracalny
wpajanie występuje u piskląt kaczek, gęsi, kur - warunkowanie (patrz dalej)
u ssaków
u człowieka (wpajanie tonów serca matki, uspokojenie noworodka)
inne rodzaje wpajania: seksualne (preferencje), topograficzne, socjalne
Warunkowanie
Uczenie nieasocjacyjne
Odruch warunkowy
Habituacja
 najprostsza forma uczenia się, nabyta (wyuczona) reakcja organizmu na bodziec
Sensytyzacja
Warunkowanie klasyczne
(połączenie bodz
ca bezwarunkowego i obojętnego (warunkowego))
Bodziec bezwarunkowy (np. jedzenie)
Bodziec warunkowy (np. dz
więk)
Iwan Pawłow
Habituacja
stopniowe zmniejszanie się i zanik reakcji na często powtarzający się bodziec
Sensytyzacja
stopniowe zwiększanie się reakcji na często powtarzający się bodziec
(np. tarcie ręki powoduje ból)
Elsevier
20= 5B@>28G 02;>2
Wikipedia
1
2014-01-28
Warunkowanie klasyczne Pawłowa, istota
Warunkowanie strachu (opóz
nione)
(Delayed fear conditioning)
u (psów) Pawłowa
Trening
reakcja warunkowa (odruch warunkowy) taka sama jak odruch bezwarunkowy (ślinienie się)
CS
Fałszywe przekonanie o identyczności odruchu warunkowego i bezwarunkowego
US
Inaczej w przypadku:
120/150 sec. 15 sec. 2 sec.
Test - warunkowanie strachu (wzmożona ruchliwość vs. znieruchomienie)
CS
- awersji do smaku pokarmu (nudności vs. unikanie pokarmu)
CS
A B
US
na bodz
ce ciągłe / context na bodz
ce wyodrębnione / cue
chlorek litu
Leki wywołujące efekt awersyjny po wypiciu alkoholu.
Dlaczego nie działają?
Antabus, Esperal
Warunkowanie klasyczne  warunkowanie odruchu mrugnięcia
Warunkowanie klasyczne Pawłowa, cd.
(zamykania powieki / migotki)
wygasanie odruchu warunkowego  gdy bodziec warunkowy podawany jest
(wygaszanie) bez wzmocnienia (bodz
ca bezwarunkowego)
" 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, cd.
Warunkowanie instrumentalne
połączenie aktywności ruchowej (naciśnięcie dz
wigni, wsadzenie nosa)
połączenie aktywności (naciskanie dz
wigni, wsadzanie nosa) z nagrodą (np. pokarm)
z nagrodą lub uniknięciem kary
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
Burrhus Frederic Skinner
Wikipedia
klatka Skinnera / skinnerowska
2
2014-01-28
Labirynt wodny Morrisa
PRÓBA
TESTOWA
ćwiartka docelowa
(target quadrant, TQ)
PROBE
TRIAL
�
��
Ą� ą�
30
3
20
2
10
1
czas (s) liczba przecięć (#)
0 0
TQ inne TQ inne
Uszkodzenie formacji hipokampa powoduje zaburzenia pamięci u zwierząt
H.M.
Henry Molaison
wykonujących labirynt wodny Morrisa
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
3
2014-01-28
Hipokampalne komórki miejsca
Podział pamięci długotrwałej w zależności od rodzaju zapamiętanej informacji i stopnia
zaangażowania świadomości
Pamięć
Deklaratywna / Opisowa Proceduralna / nieopisowa
(najczęściej świadoma) niedeklaratywna (nieuświadomiona)
1. Umiejętności, procedury
2. Nawyki nabyte drogą warunkowania
Epizodyczna
3. Prymowanie / torowanie / poprzedzanie
(miejsca, fakty, zdarzenia)
4. Habituacja
np. przestrzenna
5. Uwrażliwienie (sensytyzacja)
Semantyczna
(fakty i wyobrażenia, nazwy)
Autobiograficzna
Prospektywna (zamiary, plany)
komórka miejsca komórka siatki/matrycy (grid cell)
jednostki gnostyczne (Konorski, 1967)
pole CA formacji hipokampa kora śródwęchowa
komórki babci (Lettvin, 1969)
badano komórki w formacji hipokampa
komórki trójkątnej przestrzennej matrycy
 komórka Jennifer Aniston
 komórka Halle Berry
 komórka gmachu opery w Sydney
neurony lustrzane  kora ruchowa
Uczenie się, poziom komórek
4
2014-01-28
Synapsa hebbowska, J.W. Kalat, str. 408
Procesy komórkowe odpowiedzialne za tworzenie pamięci
1. Wykrywanie pamięć
Donald Hebb
równoczesności krótkotrwała
STM
drogi sygnałowe w komórce
kinazy
2. Powiązanie
pamięć
When an axon of cell A is near enough to
długotrwała
excite cell B and repeatedly or persistently take
LTM
part in firing it, a growth process of metabolic
change takes place in one or both cells such
3. Konsolidacja
that A's efficacy, as one of the cells firing B, is
transkrypcja genów
increased (Hebb, 1949).
pamięć długotrwała
LTM
hamowana przez inhibitory syntezy RNA i białek
Ślimak morski Aplysia Ślimak morski Aplysia
odruch cofania skrzela
syfon
obiekt badań molekularnych mechanizmów
bodziec dotykowy:
procesów uczenia się
strzyknięcie strugi wody
lub drażnienie pędzelkiem
syfonu
niewiele (2 x 104) neuronów
w 10 zwojach
duże, rozpoznawalne noga
(typ neuroprzekaz
nika)
skrzela
Eric Kandel
J.W. Kalat, str. 409-411
Ślimak morski Aplysia Ślimak morski Aplysia
obiekt badań molekularnych mechanizmów procesu HABITUACJI obiekt badań molekularnych mechanizmów procesu SENSYTYZACJI
- wielokrotne powtarzanie bodz
ca dotykowego powoduje osłabienie odruchu - zwiększenie intensywności reakcji odruchowej na skutek działania bodz
ca bólowego
- przykład osłabienia homosynaptycznego po uprzedniej habituacji
(wielokrotna stymulacja danej synapsy powoduje osłabienie siły tej samej synapsy) - przykład procesu heterosynaptycznego
(aktywacja dodatkowych neuronów  wstawkowych interneuronów torujących)
habituacja krótkotrwała  na kilka minut, zmniejszenie wydzielania neuroprzekaz
nika
habituacja długotrwała  na kilka tygodni, zależna od syntezy białka,
sensytyzacja krótkotrwała  na kilka minut, po pojedynczym drażnieniu
zmniejszenie liczby synaps
sensytyzacja długotrwała  na kilka tygodni, po wielokrotnym drażnieniu
5
2014-01-28
Aplysia  obiekt badań molekularnych mechanizmów procesu WARUNKOWANIA
Molekularne mechanizmy procesu SENSYTYZACJI
połączenia bodz
ca warunkowego  łagodny bodziec dotykowy okolicy płaszcza lub syfonu
2 rodzaje receptorów
z bodz
cem bezwarunkowym  drażnieniem nogi prądem
neuron czuciowy
metabotropowych
1. powiązane z białkami G
i cAMP; kinaza białkowa A
2. powiązane z białkami G
i fosfolipazą C,
diacyloglicerol,
kinaza białkowa C
neuron torujący
serotonina
fosforylacja kanałów
jonowych potasowych
i wapniowych przez obie
kinazy
zwiększenie uwalniania
glutaminianu
neuron ruchowy
neuron czuciowy Ślimak morski Aplysia neuron czuciowy
Ślimak morski Aplysia
CREB, białko pamięci
CREB, białko pamięci
W przypadku warunkowania
Długotrwała sensytyzacja i warunkowanie
cyklaza adenylanowa jest detektorem równoczesności
mają podobne mechanizmy molekularne:
1. aktywowana przez serotoninę (skutek US)
2. przez jony wapnia (i kalmodulinę) pojawiające się w
- aktywacja cyklazy adenylanowej
neuronie czuciowym po działaniu CS
- aktywacja kinazy białkowej A (PKA)
- fosforylacja CREB (czynnik transkrypcyjny)
- zmiana ekspresji genów, konsekwencje:
CS poprzedza US
neuron torujący
- długotrwała aktywność PKA
- tworzenie nowych synaps
neuron torujący
neuron ruchowy neuron ruchowy
Zmiana liczby synaps
(+ warunkowanie)
6
2014-01-28
Hipokamp (formacja hipokampa)
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
Hipokamp
CA
zakręt zębaty
J.W. Kalat, str. 411-415
Hipokamp (formacja hipokampa); połączenia Hipokamp (formacja hipokampa); połączenia
kolaterale Schaffera
CA1
kolaterale Schaffera
porpora
droga przeszywająca (PP)
zakręt zębaty
CA3
włókna mszyste (MF)
zakręt zębaty
włókna mszyste (MF) droga przeszywająca (PP)
CA1
kora
kolaterale Schaffera
CA1
zakręt zębaty
CA3
droga przeszywająca (PP) kora
kolaterale Schaffera
włókna mszyste (MF)
zakręt zębaty
CA3
droga przeszywająca (PP)
włókna mszyste (MF)
Kluczowe zdarzenia molekularne zwykła transmisja synaptyczna
Sposoby wywołania LTP
podczas indukcji LTP
(drażnienie seriami/paczkami impulsów; stymulacja tężcowa,
wszystkie neurony pobudzające (glutaminian))
- receptory NMDA zablokowane (Mg2+)
drażnienie drogi przeszywającej odbieranie potencjału w zakręcie zębatym
- jony Na i K przepływają przez
drażnienie włókien mszystych odbieranie potencjału w CA3
receptory AMPA
drażnienie kolaterali Szafera odbieranie potencjału w CA1
np.:
wykrywanie równoczesności: depolaryzacji
błony postsynaptycznej
i aktywacji komórki presynaptycznej
(uwolnienia glutaminianu)
LTP
- depolaryzacji błony postsynaptycznej
dzięki stymulacji i receptorom AMPA
- odblokowanie (Mg2+) receptorów NMDA
- napływ jonów wapnia
przez receptory NMDA
- aktywacja kinaz CaMKII i PKC
- fosforylacja receptorów AMPA przez CaMKII 
zwiększenie ich wrażliwości na glutaminian
- powstanie zwrotnych przekaz
ników wtórnych (NO?)
7
2014-01-28
Kluczowe zdarzenia molekularne
podczas długotrwałego LTP
Formacja hipokampa
- wyrzut glutaminianu
1. Pamięć przestrzenna (labirynt Morrisa, labirynt promienisty; taksówkarze londyńscy)
- aktywacja receptorów NMDA 2. Komórki miejsca
3. Komórki babci / jednostki gnostyczne
- napływ jonów wapnia
4. Pamięć deklaratywna (H.M., odroczone dobieranie według/nie według wzoru)
5. Neurogeneza (zakręt zębaty)
- aktywacja cyklazy adenylanowej
6. Uczenie się konfiguratywne i scalanie (J.W. Kalat, str. 400-401)
- aktywacja kinazy białkowej A
7. Wpływ na nastrój (hamowanie osi stresu)
- fosforylacja białka CREB
- zmiany w ekspresji genów
BDNF
tPA  tkankowy aktywator plazminogenu
Dobieranie według wzoru
Uzależnienia
Yoshida i wsp. Frontiers in neural circuits, 2012
por. J.W. Kalat, str. 398 J.W. Kalat, str. 452-462
Układ nagrody; mózgowy układ nagrody
Stany przyjemności i przykrości wywołane drażnieniem mózgu
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
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
8
2014-01-28
Samodrażnienie  naciskanie dz
wigni zamykające obwód drażnienia
Układ nagrody  główną rolę odgrywa układ dopaminergiczny
ICSS  intracranial self stimulation
i opioidergiczny
kora kora
przedczołowa przedczołowa
gałka gałka
blada blada
wzgórze wzgórze
przegroda / jądro pole brzuszne przegroda / jądro pole brzuszne
półleżące podwzgórze nakrywki półleżące nakrywki
podwzgórze
MFB
pęczek przyśrodkowy przodomózgowia
ciało ciało
migdałowate migdałowate
www.sigmaaldrich.com www.sigmaaldrich.com
Samopodawanie substancji psychoaktywnych (dożylne i domózgowe) Zaburzenia nastroju
(depresja)
podobieństwo samodrażnienia i samopodawania u zwierząt i
poszukiwania substancji uzależniających u ludzi
www.sigmaaldrich.com
(pozytywne wzmocnienie emocjonalne,
zachowania poszukiwawcze, uzależnienie
psychiczne i fizyczne prowadzące nawet
do samozagłady)
gałka
blada
wzgórze
przegroda / jądro pole brzuszne
półleżące nakrywki
nikotyna
podwzgórze
opiaty
psychostymulanty
J.W. Kalat, str. 464-471
opiaty
psychostymulanty
ciało
alkohol etylowy
migdałowate
Depresja Depresja  przyczyny (hipotezy)
zaburzona zdolność do odczuwania przyjemności
1. Niedobór noradrenaliny i serotoniny
2. Nadmiar cAMP i pochodnych fosfatydyloinozytolu (PI) w komórkach
poważna jednostka chorobowa, powinna być leczona
3. Uszkodzenie komórek nerwowych przez hormony stresu, gł. kortyzol
Objawy
- zmniejszenie formacji hipokampa, zahamowanie neurogenezy
(istotne zwłaszcza, gdy zakłócają codzienne funkcjonowanie): 4. Wzmożona aktywność - prawej okolicy przedczołowej
- zakrętu obręczy, obszar 25
- wzgórza
" Długotrwałe uczucie smutku lub nieuzasadnione napady płaczu
- ciała migdałowatego
" Znaczne wahania apetytu i przebiegu snu
5. Zmniejszenie aktywności: - zakrętu skroniowego środkowego
" Drażliwość, ataki złości, zamartwianie się, roztrzęsienie, niepokój,
- kory mózgu na granicy płatów skroniowego i potylicznego
" Pesymizm, obojętność
- lewej okolicy przedczołowej
" Utrata energii i entuzjazmu, ciągła ospałość
" Poczucie winy, nieprzydatności, beznadziejności, bezsilności
" Niezdolność do koncentracji i podejmowania decyzji - czynniki dziedziczne (por. Kalat, str. 464)
" Brak odczuwania przyjemności przy wykonywaniu czynności, które wcześniej sprawiały - zdarzenia życiowe (por. Kalat, str. 465)
radość (anhedonia)
" Wycofanie się z życia towarzyskiego, zrywanie kontaktów międzyludzkich, izolacja
" Niewytłumaczalne dolegliwości i bóle
" Uporczywe myśli o śmierci i samobójstwie
" Utrata pamięci
y
ródło: National Institute of Mental Health
9
2014-01-28
Depresja  modele zwierzęce
Depresja - leczenie
Metody wywoływania zachowań depresyjnych
1. Leczenie farmakologiczne
główne grupy leków: selektywne inhibitory wychwytu zwrotnego serotoniny (SSRI) " Agresja rezydenta przeciw intruzowi / stres socjalny
inhibitory monoaminooksydazy (IMAO) " Wyuczona bezradność
trójpierścieniowe leki przeciwdepresyjne (TLPD) " Długotrwały nieprzewidywalny stres / chroniczny łagodny stres
" Stres okołonatalny (np. odstawienie osesków od matki)
2. Psychoterapia
3. (1 + 2)!
4. Elektrowstrząsy
Testy oceniające poziom zachowań depresyjnych
5. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna
6. Głęboka stymulacja mózgu (eksperymentalna), cel  np. część kory obręczy (pole 25.
" Test Porsolta / wymuszonego pływania
wg Brodmanna  okolica zakrętu obręczy położona pod kolanem ciała modzelowatego,
" Test zawieszenia za ogon
ang. subgenual cingulate region)
" Test badania anhedonii
10