Viselkedésfarmakológia Kurzus. Tanulás és memória

Átírás

1 Viselkedésfarmakológia Kurzus Tanulás és memória Sipos Eszter PhD

2 4. Tanulást vizsgáló állatkísérletes modellek Áttekintés 1. Tudás/tanulás fajtái Öröklött (feltételes reflex, taxis, kinezis,magatartásmintázat) Szerzett tudás (nem asszociatív, fázisérzékeny, asszociatív és komplex tudás) 2. Memória elemi jelenségei és az engram szerveződési szintjei (szinapszis, sejtmag, dentrittüskék, neuronpopulációk, neuronhálózatok) 3. Memória fajtái Időtartam alapján (szenzoros tár, munkamemória, rövid, hosszútávú és kérgi reorganizáció) Tudatosság alapján (deklaratív és nem deklaratív) Tanulás patológiája (DSM: neurokognitív és idegrendszeri fejlődési zavarok)

3 Áttekintés 1. Tudás/tanulás fajtái Öröklött (feltételes reflex, taxis, kinezis,magatartásmintázat) Szerzett tudás (nem asszociatív, fázisérzékeny, asszociatív és komplex tudás) 2. Memória elemi jelenségei és az engram szerveződési szintjei (szinapszis, sejtmag, dentrittüskék, neuronpopulációk, neuronhálózatok) 3. Memória fajtái Időtartam alapján (szenzoros tár, munkamemória, rövid, hosszútávú és kérgi reorganizáció) Tudatosság alapján (deklaratív és nem deklaratív) Tanulás patológiája (DSM: neurokognitív és idegrendszeri fejlődési zavarok) 4. Tanulást vizsgáló állatkísérletes modellek

4 Tudás 1. Teoretikus tudás: Tudatos felismerésével szerzett információ. Emberi sajátság a teoretikus tudás, elsajátítása akár egyszeri példa alapján, következtetéssel, vagy tanulás során nyelvi kommunikációban Képesség/ Adaptáció: Gyakorlás során tudattalanul alakul ki. Az emberi és állati magatartás "behaviour" a szervezetet érő ingerekre adott válaszok összessége. Veleszületett tudás: (genetikailag meghatározott DNS-ben átörökített táplálkozás párosodás félelmet/szorongást kiváltó szituációk agresszió stb. Szerzett tudás: tanulás és memória

5 Veleszületett tudás Feltétlen reflex: Adekvát ingerre automatikusan bekövetkező válaszreakció Térdreflex Pupilla-reflex Taxis: a stimulus irányába vagy attól távolodó mozgásválasz Kemotaxis: (szúnyog-co2) Fototaxis: Planaria: (negatív fototaxis : Djsnap-25 gén +fotoreceptorok, de IR attraction) Kinezis: az állat válasza arányos az adott inger erősségével, de független annak térbeli tulajdonságaitól Ortho-Klino kinézis a mozgás sebessége függ a stimulus erősségétől Orsóhal és Csótány fény- intenzívebb mozgás Öröklött mozgásmintázat és vándorlás: udvarlási rituáé pók hálószövése (formaállandóság, megszakíthatatlan, nincs visszacsatolás a mozgás szabályozása és a környezet között költöző magatartás (bálnák, lazacok, fecskék)

6 Szerzett Tudás Nem asszociatív tanulás: begyakorlás, procedurális emlékezet habituáció: A válasz csökken u.arra a stimulusra. Ha viszont az inger jellege, erőssége megváltozik, fellép az orientációs reakció, az inger hatása visszanyeri eredeti, habituació előtti jelentőségét (órakegyegés parfüm illata) NT mennyiség csökken, receptor deszenzitizálódik, internalizálódik szenzitizáció: ha az inger kellemetlen a válaszreakció nő, többszörösen megerősített inger nyomán más természetű ingerek is ugyanazon választ idezik elő (mosógép kattogása tönkremenetel előtt) több NT, csökken receptor ingerküszöbe (PTSD) Fázis érzékeny tanulás: imprinting - bevésődés: kritikus periódus, egyszeri találkozás, életbevágó információ (fajtárs, ragadozó, utódok) korai (Konrad Lorentz) -fészekrakó madarak. Erős motiváció (gyors, mert koncentrált) Eleje megszabott, inger hiányában vége kitolható, fehérjeszintézis gátlókkal gátolható, felejtés csak mesterségesen (Altbacker Vilmos) szexuális (Bereczkei Tamás) élőlények olyan párt választanak szaporodásukhoz, amelyek hasonlítanak az őket nevelő felnőttekhez (ember nevelte Panda emberhez vonzódott) Westermarck effektus /fordított szexuális imprinting (Israeli kibbutzimkollektív farm) 5-6 éves korukig együtt neveltek nem vonzódnak szexuálisan egymáshoz

7 Szerzett Tudás-Klasszikus kondícionálás Asszociatív tanulás: két vagy több inger társítása Pavlov(Nobel díj 1904): Klasszikus kondícionálás (feltételes reflex): A feltétlen és feltételes inger időben összekapcsolódik (kontiguitás), illetve a feltételes inger alapján a feltétlen inger megjósolható. feltétlen inger + közömbös inger (kondícionáló inger) társítása a közömbös inger kiváltott feltételes válaszhoz vezet kondícionálás= ismételt társítás szimpla asszociáció kioltás: ha a feltételes ingert nem követi feltétlen inger, akkor a kialakult időleges kapcsolat megszűnik generalizáció: egy meghatározott ingerre kialakult feltételes választ az eredeti ingerhez hasonló, más ingerek is kiváltanak; az ingerek általánosulnak a válaszoló viselkedése szempontjából diszkrimináció: az eredetitől eltérő ingerekre különböző választ ad

8 Szerzett Tudás-Operáns kondícionálás Large reward preference (%) Large reward preference (%) Thorndike (1905): Law of effect : Ha a véletlen magatartás jutalommal jár az megismétlődik, ha büntetést vált ki, akkor abbamarad. A magatartásunk következményeiből tanulunk. Skinner (1948): Reinforcement Az a viselkedés amit nem követ megerősítés idővel ritkul és végül teljesen eltűnik. Puzzle box megerősítés: pozitív (étel, drog) negatív (áramütés pl a doboz egyik felében) büntetés (áramütés/nincs menekülés) Tanulás Delay discounting paradigma- impulzivitás Skinner box vagy Operáns kondícionáló doboz ASX modell * * Days kioltás, generalizáció és diszkrimináció Aliczki et al., Hormones and Behavior 66 (2014)

9 Szerzett Tudás-Kondícionált félelem PTSD/trauma modell: aktív tanulás (NMDA, Ca-dependens AMPA függő akvizíció/extinció) freezing % Freezing % of total time % * * * + 1. nap 3 ma elektromos sokk 10-szer ismételve 5 percen át Days after trauma # 28 1/28 nap vissza Különböző visszahelyezési paradigma különböző félelmi reakciót eredményez, rebound Spontán kioltódás- visszaesés (rebound) 28 nap Day1 Day2 Day3

10 Felejtés trauma Tulogdi et al Brain Res Bull. 88(4): napon kezdett kioltódás után nincs szignifikáns fear recovery/visszaesés az 56. napon)!!! Agyi területek aktiválódásával lehet összefüggés Félelem embernél inkább PFC- hez kötött, a rágcsálóknál inkább Amygdala és több alsóbbrendű terület!

11 Szerzett Tudás-Komplex tanulás 1. Latens/perceptuális tanulás- a tanulási folyamatot nem kíséri a viselkedés látható megváltozása, eredményessége későbbi időpontban nyilvánul meg. Nem elég az inger-válasz tanulás mentális reprezentációt kell feltételezni! Tolman-féle labirintus teszt (kognitív térkép, motiváció étel vagy kiváncsiság) Az útvesztőkben a patkány nem az elfordulások sorrendjét tanulja meg, hanem térképet alakít ki a helyről. Minden folyosó végén ételt találhat. Az éhes patkány feladata megtalálni az élelmet anélkül, hogy visszatér a már korábban látogatott karokba. 2. Belátásos tanulás: (Köhler) cél-eszköz egységben való látása, a köztük lévő viszonylat felismerése belátás (célorientált cselekvés) elérhetőség (amit egyszer megtanultunk, mindig tudunk) transzfer (amit az egyik szituációban megtanultunk, azt egy másik hasonló helyzetben képesek vagyunk újra alkalmazni) 3. Verbális tanulás (szóbeliséget jelent): kizálólag emberi, elvont, fogalmi gondolkodást igényelnek. A beszéd általi tanulás az egyik, csak emberre jellemző tanulási mód. 4. Szociális tanulás: szocializáció folyamata, társadalmi formáknak, társadalmi érték és normarendszer, megfelelő viselkedési formák elsajátítása (pl patkány playfight). Egész életen át tartó tanulási folyamat életkorilag jellemző feladatok összekapcsolunk dolgokat.

12 Szerzett Tudás-Komplex tanulás Szociális tanulás alapfolyamatai (Kelman írta le 1973-ban): Állatoknál is megfigyelhető: Utánzás: A szociális tanulás legelemibb formája. Egyszerű mozdulat, megfigyelés (ragadozók) Fontos szerepet játszik a jutalom és a büntetés swaythling-i tejlopás :Kanadai Cinege (Parus atracupillus fajtárstól utánzással tanult) (Lefebvre L. Behav Processes 1995) anyanyelv tanulása a gyermekek számára az utánzás révén kialakuló beleélés szinte egyedüli eszköze mások megértésének Csak emberre jellemző: Modellkövetés: Az utánzott cselekvés mellett az utánzott személy is fontos. the milk mystery Azonosulás/identifikáció::Szándékosan vagy spontán választott modelltől átvett viselkedés, a személyiség részévé válnak. A választott modellel való kapcsolat fenntartásán. (pl. kislány édesanyja cipőjét próbálja) Belsővé tétel/interiorizáció: A szociális tanulás legmagasabb szintje. Belsővé válik az adott dolog, külső kényszer nélkül is működik, függetlenedik a forrástól és beépül a személyiségbe. pl: rendszeretet, fasizmus stb.. A szociális tanulás formái nem különíthetőek el élesen egymástól. Egymásra épülve, együttesen alakítják és formálják személyiségünket.

13 Szerzett Tudás mechanizmusa Szerzett viselkedés: Az ingerekre adott válaszok az élőlény előéletétől függően változhatnak, egyes reakciók eltűnnek, mások felerősödnek, illetve új tanult reakciómódok alakulnak ki. Biokémiai reakciók/baktérium is tud tanulni (Tagkopoulos, I., Liu, Y.-C. & Tavazoie, S. Science advanced online publication, doi: /science (2008)) Magas hőmérsékletben anaerob a környezet (bélrendszer), szájban anticipációs viselkedést fejleszt ki (felkészül az anyagcsereváltozásra). A prediktív viselkedés igénylő vezérlést az egysejtű szervezetekben az idegrendszert biokémiai reakciók hálózata helyettesíti. Idegrendszeri plaszticitás: Az idegsejtek kapcsolódásainak rugalmas alakulásra való képessége. Remapping: Az ujjak szétválasztása után az agyi reprezentáció is szétvált) Kereszt-modális plaszticitás: Bach-y-Rita P et al. Nature 1969 Mar 8;221(5184):963-4.) A tapintás útján bekerülő jelek némi gyakorlást követően ténylegesen aktivitást váltanak ki a látókéregből! Összetett formát is képesek érzékelni: váza takarta telefon vagy feléjük dobott labda Epigenetika: Aktív vagy inaktív gének expresszióváltozása, mely nem jár együtt DNS szekvencia változással. A DNS metiláció, Hiszton modifikáció vagy nem kódolt RNS (ncrns) asszociált géncsendesítés indíthat el, vagy tarthat fenn epigenetikai változást (Egger et al 2004). Tasting the Light

14 Áttekintés 1. Tudás/tanulás fajtái Öröklött (feltételes reflex, taxis, kinezis,magatartásmintázat) Szerzett tudás (nem asszociatív, fázisérzékeny, asszociatív és komplex tudás) 2. Memória elemi jelenségei és az engram szerveződési szintjei (szinapszis, sejtmag, dentrittüskék, neuronpopulációk, neuronhálózatok) 3. Memória fajtái Időtartam alapján (szenzoros tár, munkamemória, rövid, hosszútávú és kérgi reorganizáció) Tudatosság alapján (deklaratív és nem deklaratív) Tanulás patológiája (DSM: neurokognitív és idegrendszeri fejlődési zavarok) 4. Tanulást vizsgáló állatkísérletes modellek

15 Memória elemi jelenségei Tanulás+emlékezés=magatartás Az emlékezés pedig a múltbeli tapasztalatok - tudatos vagy tudattalan - felidézésének képessége Richard Semon (1909-engram def.): Engram=memórianyom az engram az i.rendszerben bekövetkező maradandó változás Az engram a kódolás és az előhívás között nyugvó állapotban van ekfória törvénye: alvó engram előhívható a sikeres felidézéshez az eredeti epizód részleges újramegjelenése szükséges Az engram tartalmát a kódolás során megértett és a többszörös előhívás során felidézhető információ határozza meg Karl Lashley (1929-patkánykísérlet): Agykérgi lézió- nem volt hatással a patkány labirintusban mutatott teljesítményére csak a tanulására- szerinte az engram az egész kéregben jelen van (mai tudásunk szerint: az engram elszórva helyezkedik el a kortex-ben. Hebb posztulátum(1949): Ha az A sejt axonja elég közel van a B sejthez, és ismétlõdõen vagy folyamatosan hozzájárul annak tüzeléséhez, akkor valamely, egyik vagy mindkét sejtre jellemzõ növekedési folyamat vagy metabolikus változás következményeként A sejt hatékonysága a B sejt tüzeléséhez való hozzájárulás szempontjából megnõ = szinaptikus megerősödés

16 Engram életciklusa : (Josselyn et al (2015):16 Nature Reviews)

17 Tanulás/memorizálás folyamata Memória: A tanulás, a memória működése több részfolyamatból áll. Ezek sematikusan a következők: acquisition /KÓDOLÁS Gyakorlás/elsajátítás (aktív magatartási szakasz) Engram keletkezése örökre v. hosszabb-rövidebb időre consolidation, m. encoding/tárolás Rögzülés- Bevésés (idegrendszeri szakasz) Végleges tárolás helyére szállítás Tárolás RTM Orbitofrontális kéreg: reverberációs körök sérülékeny HTM Hippocampuson keresztül szállítás plasztikus szinapszisok Temporális lebeny: tárolás elszórt neuronokban/ n.hálózatokban retrieval /ELŐHÍVÁS Előhívás- Felidézés (idegrendszeri/magatartási szakasz)

18 A memórianyom/engram szerveződési szintjei Mi alakítja az engramot: 1 Szinapszis Sejtmag 1. Szinaptikus transzmisszió szintjén:a fehérjék P-ja 2. Sejtmag szinten: a transzkripciós és epigenetika szintű változások 3. Dentrittüskék szintjén: a szinaptikus kapcsolatok megerősödése Dentrittüske Neuronpopulációk Memóriarendszerek 4. A neuronpopuláció és hálózatok szintjén: a neuronok/agyterületek viszonya Josselyn et al (2015):16 Nature Reviews

19 Szinapszis Elektrofiziológia változások Szinaptikus hatékonyságváltozás (lsd Hebb post) szinapszis erősödése (homoszinaptikus) facilitáció rövid ideig tartó változás- Az egymást rövid időn belül követő preszinaptikus ingerületek egyre nagyobb posztszinaptikus potenciált (PSP) váltanak ki. potenciáció hosszabb ideig tartó változás (poszttetanikus potenciáció nagy frekvenciájú, tartós sorozatingerlést követően (LTP). Preszinaptikus ingerlés először a PSP csökkenését, majd növekedését idézi elő. szinapszis gyengülése (heteroszinaptikus) depresszió alacsony frekvenciájú elektromos ingerlés. (Hosszú idejű sz. gyengülés LTD) LTP jellemői Specificitás (input specifikus): Csak aktív szinapszisnál van változás, más szinapszisra nem terjed át. Asszociativitás: Egy gyenge stimulus nem vált ki önmagában LTP-t, ha egyidejűleg ugyanazon a sejten egy másik szinapszis erős stimulust kap, mindkét szinapszis megerősödik. Cooperativitás: LTP kiváltható egy erős, tetanikus vagy több gyengébb stimulációval is. Perzisztencia: LTP-t tartós (percek- hónap) fennmaradás jellemzi és különbözteti meg a többi szinaptikus plaszticitástól.

20 Szinapszis Biokémiai változások Biokémiai reakciósor hozza létre az elemi memóriát (Erik Kandel és mtsai, 2000) Nobel díj)- A szinaptikus transzmisszió során fehérjék foszforilációja történik. Elemi memória: Habituáció/ Szenzitizáció Kopoltyúív összehúzási reflex (monoszinaptikus ÉN-MN):RTM lehet belőle HTM FN-ból NT (Ser) G feh. köt ami az adenilát-ciklázt aktiválja camp keletkezik PKAt aktivál K + -csatornát P, mely részlegesen bezáródik. A Ca 2+ csatornája tovább nyitva több Ca 2+ több NT áramlik az MN felé tartósabb a kopoltyúizom összehúzódás emléknyom: K + csatorna foszforiláltsága RTM: meglévő fehérjekészlet módosítása (foszforiláció/defoszforiláció) felszaporodása HTM: sokszor ismételve, közbeiktatott pihenőkkel új fehérje is kell, magi PKA foszforililája a CREB feh.-t-új feh. létrejötte, fehérjeszintézis gátlókkal megakadályozható pl. tartósan aktív CREB (camp response element-binding protein )

21 Szinapszis Biokémiai változások Tanulási teszt Ecetmuslicákon (S. Benzer): Tanító kamra: A szaghoz enyhe áramütést társít ; 1000 mutáns 1 nem tanul Dunce (buta) génmutáns törzs: II típusú camp-foszfodiészteráz (PDEII) hiány magas camp lassan tanul Rutabaga génmutáns törzs: adenilát cikláz probléma alacsony camp még rosszabbul tanul A: kellemetlen inger+szag Drosophila melanogaster»» camp anyagcsere dinamikája B: szag camp gyors dinamikája kell a tanuláshoz/ fehérjék foszforilálódásához CREB-szerű fehérje homológját túltermeltetve- zsenik! 10 ciklus helyett 1 alatt tanul»» törzsfejlődés során nem feltétlen a legjobb maradt fenn, lehet jobbat csinálni!!!!

22 (Hasselmo, 2006 Curr Opin Neurobiol) Neurotranszmitterek Glutamát LTP GABA gátolják a memórianyomok kialakulását (GABA A -R; GABA B -R) Monoaminok serkentik a memória kialakulását dopamin: jutalom (N. Accumbens) noradrenalin: szelektív figyelem (PFC) szerotonin: motiváció (M. Raphe) Opiátok gátolják a memória kialakulását; csökkentik a motivációt Acetilkolin a memória egyik fő kialakítója (Hippocampus)(scopolaminnal gátolható) (n/machr) (Striatum) Acetilkolin hatása a kérgi dinamikára:szenzoros stimulusra kortikális köröket hoz létre A magas acetilkolin: felerősíti a kortexbe érkező szenzoros jel nagyságát (nikotin receptoron keresztül), ugyanakkor gátolja a kérgi visszacsatolás mértékét (muszkarinerg receptoron át) Az alacsony acetilkolin (AD) gyengébb hatással bír a bejövő jelre, ugyanakkor hatása erős excitatórikus visszacsatolást eredményez

23 Szinapszis/Dentrittüske sűrűség Elektrofiziológia változások Nagy frekv. stimulus Mg2+blokk megszűnik Retr. hírvívő felszab. Érzékeny lesz Glu-ra Preszin. Glu felszab. A memóriatartalmak a tárolás időpontja szempontjából: RTM HTM retrográd hírvivők megnövelik Glu felszabadulást hatékonyabb szinapszis (Glu nagyobb valószínűséggel vált ki AP-t) fehérje szintézis új receptorok (Ca-permeábilis AMPA), új szinapszisok

24 Dentrittüske sűrűség Elektrofiziológia változások Hebb és Konorski: IR plaszticitást ismételt stimulusok asszociációi indukálnak, melyet a már meglévő szinaptikus kapcsolatot funkcionális kapcsolatokká alakulása/morfológiai megváltozása eredményez. Szinapszisok stabilizálódása/ dentritüske morfogenezis: -néhány óra alatt bekövetkezik -többszörös kapcsolat alakul ki a preszinatikus boutonnal - Eredménye a szinaptikus plaszticitás, memória kialakulás, LTP indukció -NMDAR: morfogenezist indukál (NMDAR gátló -nincs strukt. változás) -AMPAR: struktúrális stabilitást biztosít -actin: ex.cell. stim. aktin polimerizációt indukál (AMPAR gátlóval gátolható-ampar kontroll) -adhéziós mol.: stabilizálja a pre- és posztszinaptikus elemeket (GluR és Citoszk. kontroll) A molekulák irányított aktivitása (GluR és citoszkeleton kontroll alatt) a szinaptikus hatékonyság stabilitását eredményezi a memória konszolidáció alatt. Lamprecht et al (2004):5 Nature Reviews)

25 Sejtmag Epigenetikai változások Neuroepigenetika (NEG) Az evolúció távlatából rövid távú alkalmazkodás (HTM) epigenetikai mechanizmusokkal valósul meg. Nem a genom szekvencián alapuló (részben) öröklődő DNS feletti változások. Dinamikus és aktivitás indukált változás a felnőtt IR-ben Epigenetiai folyamatok főbb típusai: DNS metiláció, kromatin újrarendeződés, hiszton módosulás és nem-kódoló RNS szekvenciák (in)aktivációja. Epigenetikai változások gyakran alkalmazott biomarkerei az EG-i folyamatokért felelős enzimek: DNS metilációért felelős DNMT3a/b, vagy a heterokomatin kialakulásában alapvető szerepet játszó H3K9) Molekuláris szinten a tanulás és memória kialakulásáért intracell. szignálkaszkád folyamatok felelősek, melyek a fehérjék szintézisét és a gének aktivitását szabályozzák. Hiszton kód teória: A kromatin módosulások, különösen a hiszton acetiláció és DNS metiláció mértéke korrelál a hosszú távú memória konszolidációjával. Modulálja a tanulásért felelős gének stimulusfüggő aktivációját a memória kialakításáért felelős sejthálózatokban. Kromatin módosító enzimek tehát dinamikusan és kétirányúan szabályozzák az eseményre adott választ (pl. neuronális aktivitás) így befolyásolva a tanulás folyamatát.

26 Euchromatin - Active Transcription Sejtmag Epigenetikai változások Az EG-i módosulások: aktívan és szelektíven indukálhatók speciális szignálkaszkádok által meghatározott géneken egyes sejtekben és agyrégiókban amelyek bizonyos típusú memória kialakulásáért felelősek. ezen alapszik számos HC-függő tanulás (MWM, NOR, Cond.fear). Általánosan igaz, hogy ezek a feladatok növelik az eukromatinhoz kapcsolódó posztranszlációs hisztonmódosulások számát és pozitívan szabályozzák a génexpressziót. Körny. ingerek hatására kaszkádfolyamat indul be, mely epigenetikai módosuláshoz vezet. Ez a szabályozó folyamat befolyásolja az LTP kialalakulást, dentrittüskék sűrűségét, sejt. excitab. stb. Heterokromatin erősen zárt állapot, ami gátolja a transzkripciót/ a memória kialakulását. Eukromatin asszociált módosulások növelik a transzkripciót/indukáltják a memória kialakulását (Zovkic Learn Mem. (2013 )20(2): )

27 Neuronok/populációk Elektrofiziológia O Keefe és Dostrovsky (1971): Térbeli memória: place sejtek (HC/EC) Ezek a piramissejtek akkor kerülnek aktív állapotba, amikor a patkány a tér egy adott pontjára ér. Amikor az állatot másik környezetbe helyezték a korábban aktív sejtek szinte teljesen elhallgattak. Nem egy sejt aktiválódik, hanem azok meghatározott populációja A sejtek tüzelési mintázata az állat térbeli helyzetével korrelál. Firing rating map

28 Neuronok/populációk Magatartásvizsgálatok (optogenetika) Optogenetika lehetővé teszi hogy neuronokat/populációkat szelektíven vizsgáljunk: Kondícionált félelemben a kontextuális memória kialakulásért a GD granuláris sejtei felelősek. (neuronok 2-4% mutat c-fos aktivitást a tesztdobozba visszahelyezve). GD c-fos-tta egerekbe (Cre/loxP system and temporal control): csak az érintett neuronok mutatnak c-fos aktivitást adott környezetbe helyezve tta -tetracyclin transactivator-(tetracyclin) doxicycline hiányában gépexpresszió! AAV9-TRE-ChR2-EYFP- víruskonstrukt TRE- tetracycline response element ChR2-channelrodopsin-fény indukált ioncsat. EYFP-yellow fluorescent protein Optikai szálon keresztül kék lézer 473nm ChR2 expresszió Doxicyclin és neuronális függő. ChR2 kifejeződés csak Dox jelenlétében, így a Dox diéta megvonása alatt a memória létrejöttéért felelős neuronok megjelelölhetők. Liu et al (2012) Nature 484 (381-5) 1. nap 3 ma elektromos sokk 10-szer ismételve 5 percen át

29 Neuronok/populációk Magatartásvizsgálatok (optogenetika) 1. A neuronpopuláció szintjén: a neuronok viszonya határozza meg az engramot ZIF268 -tta egerek:láthatóvá tesz minden, a kontextusban aktiválódott neuront Gyrus Dentatus-ba ültett optikai szálon keresztül a GD AAV9-TRE-ChR2-EYFP víruskonstrukot felvett neuronokat aktiválják (sárga vagy zöld lézzerre): A kondícionált félelmi reakció során korábban aktiválódott neuronok (laterális amygdalában, kortexben, gyrus dentatusban) a kontextusba visszahelyezve és a GD-t megvilágítva újból (de)aktiválódnak Josselyn et al (2015):16 Nature Reviews

30 Neuronok/populációk Magatartásvizsgálatok(DREADD) clozapine-n-oxide (CNO) designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs) DREADD-et (G-fehérje kapcsolt receptor) AAV víruskonstrukttal juttatjuk a sejtbe. CNO DREADD specifikus szubsztrátja, nincs jelen a szervezetben, innert (önmagába adva nincs hatása ) A kísérlet menete: 1) Idegsejtek egy populációjában (Amygdala) designer receptort fejeztetünk ki (DREADD) 2) CNO-val aktiváljuk a DREADD-et kifejező sejteket 3) Az állatot beletesszük egy adott környezetbe, ahol engram kialakítása történik 3) A depolarizált sejtpopuláció fog beépülni az engramba 4) A későbbiek folyamán az engram vizsgálható (serkenthető, gátolható) Josselyn et al (2015):16 Nature Reviews

31 Neuronhálózat Hologram- dejà vu A hologram minden része tartalmazza a teljes kép előállításához szükséges összes információt. Minél kisebb részből próbáljuk meg előállítani az egészet, annál homályosabb képet kapunk. Sno szerint az emberi memória is így működik. (Sno és Linszen, 1990, Am J Physiol) Az agy információhordozói a neuronok, illetve a neuronális hálózatok. A neuronok mellett a hálóban a másik legfontosabb komponens a szinapszis. A hálózat egymással összekapcsolt szuperhálózata a nagyskálájú agyi hálózat. Ha a neuronhálózat néhány sejtje, szinapszisa kiesik, nem történik semmi, mert a többi épen maradt neuron és a közöttük lévő szinapszis, csak úgy, mint a darabokra tört hologram, ellátja a feladatát. Képalkotó, statisztikai és matematikai (gráfelmélet) eljárások alkalmasak a hálózatelemzésre. Déjà vu vagy paramnézia Az agyunk egy emléktöredékből egy egész emléket rak össze és ez a már láttam/átéltem érzését okozza. déjà vu élményének későbbi felidézésekor maga az érzés meglehetősen pontosan körülírható, ugyanakkor annak felidézése, hogy milyen valós körülmények váltották ki az érzést, ugyanolyan bizonytalan, mint maga a képzeletbeli, "már átélt" szituáció. Az egész több, mint a részek összege, minőségi változás! Hálózatok.

32 4. Tanulást vizsgáló állatkísérletes modellek Áttekintés 1. Tudás/tanulás fajtái Öröklött (feltételes reflex, taxis, kinezis,magatartásmintázat) Szerzett tudás (nem asszociatív, fázisérzékeny, asszociatív és komplex tudás) 2. Memória elemi jelenségei és az engram szerveződési szintjei (szinapszis, sejtmag, dentrittüskék, neuronpopulációk, neuronhálózatok) 3. Memória fajtái Időtartam alapján (szenzoros tár, munkamemória, rövid, hosszútávú és kérgi reorganizáció) Tudatosság alapján (deklaratív és nem deklaratív) Tanulás patológiája (DSM: neurokognitív és idegrendszeri fejlődési zavarok)

33 (képi info) Echoikus (hallási) Haptikus (tapintási)

34 Memória fajtái tudatosság alapján Deklaratív memória típikusan a felismerő memória Rövidtávú (percek-órák) Középtávú(8-12h) Hosszútávú(18h-napok) Hosszan tartó (7napnál tovább) Szenzoros asszociatív kérgi ter. Funkció, jelentés Motoros asszociatív kérgi ter. Motoros asszoc. Limbikus kérgi terület Affektív asszoc. Hippocampus Hippocampus lézió epilepsziásoknál: Szubkortikális területek (Talamusz, szeptum Hipotalamusz, agytörzs) A műtétet követően perceptuális és intellektuális képességek épek Képtelen új emlékek kialakítására (anterográd amnézia és régi emlékek felidézésére Az információ rövid fejben tartása nem okoz gondot Képes új készségek elsajátítására (pl tükörrajzolási feladat)

35 Memória fajtái tudatosság alapján Érzékelés Érintett szenzoros modalitások agykérgi területei: kereszt modális plaszticitás, terület kiterjedése

36 Patológia Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders (DSM) Miért van szükség az osztályozási rendszerre? kezelés hatékonysága növelhető, diagnózis, modellalkotás pontosabb DSM-V. 3 nagy osztályba sorolja a neurokognitív rendellenességeket (Neurocognitive disorders (DSM- V.) vagy dementia (DSM-IV:) : Delirium: figyelmi vagy/és tudatzavar Mild: Enyhe kognitív károsodás egy v. több kognitív funkcióban, mely nem akadályozza az önálló életvitelt. Major: Szignifikáns mértékű kognitív zavar egy v. több kognitív funkcióban és az önálló életvitel akadályozottsága. A neurokognitív zavarok elkülönítése etiológiai szempontok szerint: Alzheimer kór Frontotemporális lebeny károsodás HIV fertőzés Huntington kór Lewy testes demencia Parkinson kór Prion betegség Traumás agysérülés Vaszkuláris demencia Gyógyszer vagy hatóanyag használat Egyéb orvosi vagy etiológiai okok Sachdev et al. Nature Rev. Neurol. ( 2014) (11):

37 Patológia Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders (DSM) Traumás agysérülés (pl. újszülöttkori agysérülés) Motoros funkciók zavara Genetikai betegséges Shizophrenia vagy shizotipikus rendellenesség HIV Malária Más idegrendszeri fejlődési rendellenességek

38 Amnézia Az emlékezeti funkciók kisebb vagy nagyobb mértékű, átmeneti vagy tartós sérülése. Etiológiai megközelítés: betegség és/vagy agysérülés következtében Lokalizációs megközelítés: az agysérülés helye alapján Funkcionális megközelítés : bizonyos emlékezeti funkciók nem működnek Pszichogén amnézia: trauma kiváltott felejtés Oka: agysérülés, stroke poszttraumás amnézia- disszociatív amnézia (stresszes helyzetek felidézésének zavara) depresszió, stressz (glucocorticoidok- hippocampus) agyi oxigén hiány elektrokonvulzív terápia gyógyszerek (antidepresszánsok, antihisztaminok, szorongásoldók, izomrelaxánsok, nyugtatók, altatók, fájdalomcsillapítók) alkohol, dohányzás, drogok Alvásmegvonás Tápanyaghiány dementia Általában a procedurális memória és a hosszútávú emlékek jobban megtartottak, mint deklaratív emlékek és rövid távú memória. Javulás esetén is régi emlékek térnek először vissza.

39 Stimulálószerek szerepe a memóriarögzítésben Fekete csokoládé, tea, bor flavonoidok stimuláló hatása Maximálisan elérhető stimuláló hatás: 10g/nap csokoládé ml/nap bor, tea (Nurk és mtsai, 2009, J Nutr) Alvás és memória: az alvás hozzájárul a deklaratív memória (események tények) konszolidációjához (Oudiette és mtsai, 2013 J Neurosci)

40 4. Tanulást vizsgáló állatkísérletes modellek Áttekintés 1. Tudás/tanulás fajtái Öröklött (feltételes reflex, taxis, kinezis,magatartásmintázat) Szerzett tudás (nem asszociatív, fázisérzékeny, asszociatív és komplex tudás) 2. Memória elemi jelenségei és az engram szerveződési szintjei (szinapszis, sejtmag, dentrittüskék, neuronpopulációk, neuronhálózatok) 3. Memória fajtái Időtartam alapján (szenzoros tár, munkamemória, rövid, hosszútávú és kérgi reorganizáció) Tudatosság alapján (deklaratív és nem deklaratív) Tanulás patológiája (DSM: neurokognitív és idegrendszeri fejlődési zavarok)

41 START Tanulás/memorizálás vizsgálata I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Y-labirintus tesz Tárgyfelismerés (object recognition) Szociális memória (social discrimination) II. Jutalommal/büntetéssel járó tesztek Egyszerű asszociációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek labirintus-tesztek (radiál és T-maze) operáns kondícionálás - Skinner box szag-kondícionálás helypreferencia (CPP) - morfin taszításon ( büntetésen ) alapuló tesztek passzív választ igénylő tesztek elkerülési tesztek (passive avoidance) aktív választ igénylő tesztek (klasszikus kondícionálás) shuttle box, rúdra való ugratás, íz-averzió szag-averzió, hely-averzió Komplex relációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek hole board teszt (motiváló faktor cukorpellet) komplex labirintustesztek büntetésen alapuló tesztek vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése) * * * * CÉL *

42 Tanulás/memorizálás vizsgálata I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Y-labirintus tesz Tárgyfelismerés (object recognition) Szociális memória (social discrimination) II. Jutalommal/büntetéssel járó tesztek Egyszerű asszociációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek labirintus-tesztek (radiál és T-maze) operáns kondícionálás - Skinner box szag-kondícionálás helypreferencia (CPP) - morfin taszításon ( büntetésen ) alapuló tesztek passzív választ igénylő tesztek elkerülési tesztek (passive avoidance) aktív választ igénylő tesztek (klasszikus kondícionálás) shuttle box, rúdra való ugratás, íz-averzió szag-averzió, hely-averzió Komplex relációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek hole board teszt (motiváló faktor cukorpellet) komplex labirintustesztek büntetésen alapuló tesztek vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése)

43 Tanulás vizsgálata állatmodelleken 1. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Y-maze teszt Tesztidő: 8 min Alterálási %= alterálás/karba lépés száma-2 Spontán alterálás az új környezetbe helyezett patkány felfedező magatartásán alapszik. A rágcsáló jellemzően új, még ismeretlen helyeket ( karokat) látogat, a régi karokba való gyakoribb visszatérés a munkamemória deficitjét jelenti. A feladat végrehajtásában nagy szerepet játszik a preforntális kéreg, bazális előagy, septum és hippocampus. 1db alterálás pl: CBA v ABC v ACB

44 Tanulás vizsgálata állatmodelleken I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Tárgyfelismerés teszt Spontán exploráció az új környezetbe helyezett patkány felfedező magatartásán alapszik. A rágcsáló jellemzően új, még ismeretlen tárgyakat szagolgat. A feladat a visszahívás idejétől függően tesztel rövid- vagy hosszútávú memóriát. Inferotemporal kortex szerepe a feladat végrehajtásában Retenciós idő 30min-48h Tanulás és visszahívás 4-5min Diszkriminációs index (DI)=(új-régi)/(új+régi)

45 Investigation duration (sec) Investigation duration (sec) I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Tanulás J Tanulás vizsgálata állatmodelleken Szociális diszkrimináció Visszahívás/teszt J J * Retenció/ M visszahívás M 4 X h 4 min min MINDIG juvenilis (21-45 nap) állatot használnak (Nincs agresszív interakció) A memóriakódolás és előhívás között eltelt idő függvényében vizsgálható rövid/közép és hosszú távú memória a teszt segítségével. A teszt 3 részből áll az arénához habituálást követően: tanulás/mintavételezés (4-10min) retenciós intervallum (10min-72h) visszahívás (4-10 min) Engelmann et al., Nature Protocols (2011) 6, * 0.5 h * Mice 2 h * Rats 24 h 0.5 h 2 h 24 h * RI

46 Tanulás vizsgálata állatmodelleken Alkalmazhatóság: Az egereknél a stimulusállattal történő fizikai kapcsolat agresszív viselkedéshez vezethet, így a szociális memória ebben a paradigmában jobban alkalmazható. Szociális diszkrimináció A szociális kommunikáció során alkalmazott szagmintavételen alapul a teszt Az egerek a patkányokkal ellentétben képesek elkülöníteni a különböző juvenilis állatok szagmintáit Volatile fraction cage sampling choice Fraction of the Olfactory signature Short-term non-volatile Memory retention volatile Long-term J 1 M Engelmann et al., Nature Protocols 6, (2011) J 1 M J 2

47 Tanulás/memorizálás vizsgálata I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Y-labirintus tesz Tárgyfelismerés (object recognition) Szociális memória (social discrimination) II. Jutalommal/büntetéssel járó tesztek Egyszerű asszociációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek labirintus-tesztek (radiál és T-maze) operáns kondícionálás - Skinner box szag-kondícionálás helypreferencia (CPP) - morfin taszításon ( büntetésen ) alapuló tesztek passzív választ igénylő tesztek elkerülési tesztek (passive avoidance) aktív választ igénylő tesztek (klasszikus kondícionálás) shuttle box, rúdra való ugratás, íz-averzió szag-averzió, hely-averzió Komplex relációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek hole board teszt (motiváló faktor cukorpellet) komplex labirintustesztek büntetésen alapuló tesztek vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése) Helypreferencia doboz Passzív elkerülés doboz

48 Number of CAR Tanulás/memorizálás vizsgálata Number of EP Footshock: 0,3mA 5sec shuttle-box ** days days Félelem motivált asszociatív aktív elkerülés, ahol megtanulja az állat egy semleges stimulus (fény) segítségével előre jelezni és elkerülni az averzív esemény bekövetkezését. Jelzés és a sokk között nyílik a kapu, ha tudja h a jel az áramot jelenti akkor átmegy. A fény mindig abban a kamrában kapcsol ahol az állatot infravörös detektor érzékeli. CAR - conditioned avoidance response; EF -escape failure

49 Tanulás/memorizálás vizsgálata I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Y-labirintus tesz Tárgyfelismerés (object recognition) Szociális memória (social discrimination) II. Jutalommal/büntetéssel járó tesztek Egyszerű asszociációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek labirintus-tesztek (radiál és T-maze) operáns kondícionálás - Skinner box szag-kondícionálás helypreferencia (CPP) - morfin taszításon ( büntetésen ) alapuló tesztek passzív választ igénylő tesztek elkerülési tesztek (passive avoidance) aktív választ igénylő tesztek (klasszikus kondícionálás) shuttle box, rúdra való ugratás, íz-averzió szag-averzió, hely-averzió Komplex relációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek hole board teszt (motiváló faktor cukorpellet) komplex labirintustesztek büntetésen alapuló tesztek vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése)

50 Tanulás/memorizálás vizsgálata Hole board test: Hippocampus függő térbeli memória teszt Motiváció: cukorpellet (nincs éheztetés) Feladat/memória kódolás: 1. Megtanulni hogy keresni kell a pelletet 2. Megtanulni hogy csak bizonyos lyukakban van pellet 3. Referencia memória teszt: a kondícionált helytől eltérő a pelletek helyzete Összes pellet megtalálásához szükséges idő (max. 5 min)

51 Tanulás/memorizálás vizsgálata I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Y-labirintus tesz tárgy felismerés (object recognition) szociális memória (social discrimination) II. Jutalommal/büntetéssel járó tesztek Egyszerű asszociációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek labirintus-tesztek (radiál és T-maze) operáns kondícionálás - Skinner box szag-kondícionálás helypreferencia (CPP) - morfin taszításon ( büntetésen ) alapuló tesztek passzív választ igénylő tesztek elkerülési tesztek (passive avoidance) aktív választ igénylő tesztek (klasszikus kondícionálás) shuttle box, rúdra való ugratás, íz-averzió szag-averzió, hely-averzió III. Komplex relációk vonzáson ( jutalmon ) alapuló tesztek hole board teszt (motiváló faktor cukorpellet) komplex labirintustesztek büntetésen alapuló tesztek vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése)

52 Tanulás/memorizálás vizsgálata (Pan és mtsai, 2010, Horm Behav) Morris-féle vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése) Hippocampusfüggő térbeli memória teszt Feladat: víz alatti platform megtalálása (memória kódolás) 5 nap napi 4 próba, 1,5 perc látható platformmal Probe teszt- 1nap nincs platform Referencia memória teszt-3-szor 4 próba, a kondícionált helytől eltérő a platform lokalizációja Különböző stratégiát alkalmazva talál rá a platformra pl: mozgásmintázat térbeli referencia pontok (cue) Tanulás: Kognitív térképet alakít ki

53 Tanulás/memorizálás vizsgálata Spatial delayed matching-to-place task (DMP) 1. Platform keresés megtanulása (felszín feletti zászlóval (~3nap) 2. Minden nap új helyen a platform, napon belül ugyanott 4 próba/nap. Az 1-2 próba között eltelt idő változik ~12 nap NR2B antagonista (RO-25 és Ifenprodil) CA1 régióban injektálva: Nem hat a rövid távú térbeli tanulásra de a hosszú távúra igen (nincs hatással a 30sec a tanulásra de a 10 perces késésnél szignifikánsan romlott a tanulás) Nem befolyásolja sem a motivációt, sem a motoros képességeket. CA3-NR1 knockout egerek- Sérül az új térbeli információ gyors kódolása (Nakagazawa et al. 2004) Zhang et al. Molecular Brain 2013, 6:13

54 Köszönöm a figyelmet!