A tanulás és a memória élettana

A tanulás és a memória élettana A tanulás és a memória formái, agyi lokalizációjuk és celluláris mechanizmusok Állatélettan ea., 2016, Bali Zsolt

Mi a tanulás és a memória? A tanulás tartós belső reprezentációk tapasztalat-függő módon való létrehozása, és/vagy az ilyen reprezentációk hosszútávú módosítása A memória a tapasztalat-függő belső reprezentációk időbeli megtartásának képessége. A visszahívás a memória (elemek) felhasználása a neuronokban és a viselkedés során. (Dudai,1991) The process of aquiring new and relatively enduring information, behavior patterns, or abilities, characterized by modifications of behavior as a result of practice, study, or experience. The ability to retain information, based on the mental process of learning or encoding, retention across some interval of time or reactivation of the memory (Breedlove, Watson, Rosenzweig, 2010) Learning is the act of acquiring new, or modifying and reinforcing existing knowledge, behaviors, skills, values, or preferences and may involve synthesizing different types of information. In psychology, memory is the process in which information is encoded, stored, and retrieved. (Wikipedia, 2015)

Mi a tanulás és a memória? A tanulás és a memória néhány jellemzője a teljesség igénye nélkül: A tanulás valamilyen változás: mégpedig nem egyszeri esemény, hanem folyamat(ok) Az ember és az állatok alapvető képessége Fontos célja a környezethez való alkalmazkodás Változatos dolgokra irányulhat: képességek, információk, magatartásformák (+függőségek?), tapasztalatok, emlékek, összefüggések stb. Történhet tudatos erőfeszítéssel vagy észrevétlenül Változatos módokon történhet (pl. gyakorlás, kondícionálás, játék) A memória tartalma változásnak van alárendelve: módosulhat, megerősödhet, törlődhet Szubjektivitás szerepe A tanulás és a memória alapvető hatással van a személyiségre

Többféle tanulás, többféle memória (Henry G. Molaison) A tanulás és a memória többféle lehet Időben: o o James (1890): elsődleges és másodlagos memória Rövidtávú (STM) és hosszútávú (LTM) Emlékezés a jövőre (tervezés: mit kell tennem holnap?) Jellegében: o o o o o Emlékek Ismeretek Tapasztalatok Képességek Felismerés A memóriaformák különbségének leghíresebb szemléltetője: patient

Mit tudtunk meg H.M. esetéből? Henry Gustav Molaison (1926 2008), better known as HM or H.M., was a memory-impaired patient who was widely studied from the late 1950s until his death. His case played a very important role in the development of theories that explain the link between brain function and memory, and in the development of cognitive neuropsychology, a branch of psychology that aims to understand how the structure and function of the brain relates to specific psychological processes. (Wikipedia, 2009) Súlyos epilepsziás rohamok fiatal korától kezdve 27 évesen megműtötték (Scoville): bilaterális mediális temporális lebeny eltávolítás (hippocampus+dg, subiculum, amygdala, multimod. assz. kéreg egy része) A műtét után súlyos, de szelektív anterográd amnézia memória különböző aspektusainak vizsgálata Első tanulmány: Scoville és Milner, 1957

H.M. memóriája Intakt képességek Sérült képességek Rövid távon képes megjegyezni számokat, szavakat, arcokat Többnyire jól emlékszik olyan eseményekre, melyek a műtét előtt történtek Korábban tanult tényeket, ismereteket fel tudja idézni (név, foglalkozás, személyek, lakóhely) Tökéletes nyelvi képességek, szókincs, szóhasználat megfelelő Motoros készségek elsajátítására képes, egyszerű tanulás intakt (kondícionálás, priming) IQ normális Enyhe retrográd amnézia a műtét előtti 1 évre vonatkozóan Súlyos anterográd amnézia Hosszabb idő után, vagy más feladattal való megszakítás után már nem tudja felidézni a tanult számokat, szavakat Nem tud új információkat elsajátítani (pl. személyek: Milner mindig új volt) Súlyos térbeli orientációs probléma (új lakóhelyére nem talál haza)

H.M. és a tükörrajz Ugyanolyan gyorsan és hatékonyan elsajátította a feladatot, mint a kontroll személyek TELJESÍTMÉNY jó HABÁR soha nem emlékezett arra, hogy előzőleg már csinálta a feladatot ESEMÉNYRE nem emlékszik

Az explicit és az implicit memória H.M. tünetei két alapvető memóriarendszer elkülönítését támasztják alá MI? Szavakban fejeződik ki H.M. sérült Hosszútávú memória HOGYAN? Teljesítményben fejeződik ki H.M. intakt Deklaratív (explicit) Ismeretek, tények Nemdeklaratív (implicit) Készségek, szabályok, viselkedés Szemantikus memória Epizódikus memória Procedurális Nemasszociatív Asszociatív Priming Objektív tények, ismeretek Események, szubjektív emlékek Készségek és szokások Habituáció, szenzitizáció Kondícionálás, stimulus és/vagy válasz kapcsolata Egy előfeszítő inger segíti egy másik felismerését

Implicit (nem-deklaratív) memória H.M-ben intakt működések nem függ MTL-től Motoros és perceptuális készségek, folyamatok, szabályok tanulása (HOGYAN?) Lassan, ismétlések sorozatában épül fel Szavak helyett inkább TELJESÍTMÉNYBEN nyilvánul meg Tanulás és előhívás nem feltétlenül igényel tudatos erőfeszítést Nem-asszociatív tanulás Habituáció Szenzitizáció Asszociatív tanulás Klasszikus kondícionálás Operáns kondícionálás Kondícionált íz-averzió (Garcia-effektus) Bevésődés (imprinting)

Implicit tanulási formák gerinctelen modellje Aplysia californica (tengerinyúl) Dél-Kalifornia parti vizeiben élő csiga fenéklakó, moszatokkal tápl. Egyszerű idegrendszer: kb. 20000 neuron 4 dúcpár reflexek Kopoltyú-visszahúzó reflex Habituálható Szenzitizálható Kondícionálható

Wan et al, Nat Neurosci, 2012 https://danohtanwang.word press.com/research/ Nem-asszociatív tanulási formák HABITUÁCIÓ SZENZITIZÁCIÓ Ismétlődő ártalmatlan inger Csökkenő válaszintenzitás Ismétlődő kellemetlen v. intenzív inger Növekvő válaszintenzitás Kandel, 2001 Aplysia kopoltyú-visszahúzó reflex

Asszociatív tanulási formák Stimulus-stimulus vagy magatartás-stimulus kapcsolat tanulása 1. KLASSZIKUS (PAVLOVI) KONDÍCIONÁLÁS Két stimulus párosítása Nem-kondícionált stimulus (US, étel): ösztönösen választ vált ki Nem-kondícionált válasz (UR, nyálelválasztás) Ha rendszeresen megelőzi egy semleges, kondícionált stimulus (CS, csengő) Válasz önmagában a CS-re (kondícionált válasz, CR, appetitív/védekező)

Asszociatív tanulási formák 1. KLASSZIKUS (PAVLOVI) KONDÍCIONÁLÁS Jellemzők, meghatározók tényezők: Anderson J, 1995 Asszociációs erősség szerepe Elmaradása Kioltódás Kontiguitás: megfelelő késleltetéssel követik egymást DE! A legfontosabb, hogy mennyire járnak együtt <-> véletlenszerűség (kontingencia) Rescorla- Wagner egyenlet: deltav=alpha(lambda-v) Kandel&Schwarz, 5th ed, 2012

Asszociatív tanulási formák 2. OPERÁNS KONDÍCIONÁLÁS (INSTRUMENTÁLIS TANULÁS) THORNDIKE: effektus-törvény A macska először véletlenül húzza meg a gombot, majd több próba során egyre hamarabb szabadul Tanulás Prediktív kapcsolat magatartás és stimulus között Magatartáshoz asszociál egy eseményt A magatartás megismétlésére készteti Időzítés és prediktív valószínűség fontossága SKINNER: megerősítés elmélet Problem box / Skinner box

Asszociatív tanulási formák 2. OPERÁNS KONDÍCIONÁLÁS (INSTRUMENTÁLIS TANULÁS) Megerősítés-elmélet (Skinner): jutalom/büntetés Appetitív (kellemes) stimulus Averzív stimulus Bemutatása Jutalom Büntetés Elvétele Büntetés Jutalom Motiváció szerepe: http://youtu.be/zxb vmzffhl8

Asszociatív tanulási formák 3. KONDÍCIONÁLT ÍZAVERZIÓ Asszociatív tanulást meghatározzák biológiai tényezők: mennyire releváns a kapcsolat? Egyes stimuluspárok hatékonyabban, mások kevéssé asszociálódnak Pl: Ízaverzió kondícionálás (Garcia-effektus): Egyedi ízt negatív megerősítő követ Ha ez releváns (pl. hányinger) kondícionálás elkerüli az adott ízt Ha nem releváns (fájdalominger) NEM alakul ki ízaverzió Másrészt: nauseaval csak ízre, hang és vizuális ingerre NEM váltható ki Humán vonatkozás: kemoterápia (téves ízaverzió)

Implicit memória és az agy Implicit memória agyi lokalizációi Klasszikus kondícionálás szenzoros és motoros áreák Operáns kondícionálás cerebellum, striatum Procedurális striatum Priming neocortex Félelem kondícionálás amygdala Speciális útvonal pl. pislogási reflex kond.

Az explicit és az implicit memória H.M. tünetei két alapvető memóriarendszer elkülönítését támasztják alá MI? Szavakban fejeződik ki H.M. sérült Hosszútávú memória HOGYAN? Teljesítményben fejeződik ki H.M. intakt Deklaratív (explicit) Ismeretek, tények Nemdeklaratív (implicit) Készségek, szabályok, viselkedés Szemantikus memória Epizódikus memória Procedurális Nemasszociatív Asszociatív Priming Objektív tények, ismeretek Események, szubjektív emlékek Készségek és szokások Habituáció, szenzitizáció Kondícionálás, stimulus és/vagy válasz kapcsolata Egy előfeszítő inger segíti egy másik felismerését

Az explicit memória 1. Szemantikus memória Objektív tények: szavak, tények emberekről, iskolában tanultak Az idők során létrejött asszociációkból áll több asszociáció, jobb tanulás ( cognitive efficiency ) Különböző lokalizáció az agyban ( dedikált tárolók ) Élőlények és tárgyak más-más területeken (McCarthy-Warrington, Martin-Ungerleider) Előhívás egy összefüggő folyamatban (pl. elefánt képe sok infó) Sérülés: fragmentálttá válnak az információk, sérülés helyétől függően Asszociatív vizuális agnózia (azonosítani, lerajzolni tudja, de nem tudja mi az és mire való stb. post. parietális ctx) Prozopagnózia (arcok felismerése, tanulása sérül inferotemp ctx)

Az explicit memória 2. Epizódikus memória Szubjektív, az egyén által átélt események, autobiográfikus memória Egyes léziók a szemantikus memóriát megkímélik, de az epizódikusat elrontják: tényeket tud a barátairól, de eseményeket nem idéz fel Frontális kéregnek fontos szerepe van más neokortikális területekhez kapcsolódva Hol, mikor információk asszociálása az eseményekkel Frontális sérülés: source amnesia emlékszik a tényre (szemantikus), de arra nem, amikor megtanulta Konfabuláció: emlékezetben lévő lyukak kitöltése fals emlékekkel (ld. Korsakov szindróma) Az epizódikus memória idővel szemanticizálódhat

STM szerepe: Az explicit memória lépései Rövidtávú memória (STM) A. Baddeley modellje Munkamemória, rövidtávú tárolás és felhasználás Ideiglenes tárolás hosszútávú konszolidáció előtt Hosszútávú memória előhívása Központi végrehajtó Goldman-Rakic: a munkamemória helye a PFC Fonológiai hurok Téri-vizuális vázlattömb Epizódikus puffer Br. A46 Ismétlő ( reverberáló ) körök (Hebb), pufferek

Az explicit memória lépései A memóriaműködések (min.) 4 elkülöníthető folyamata: 1. Kódolás: új infó feldolgozása, előkészítése az idegrendszer által tárolható formába. Figyelem, motiváció, asszociációk szerepe. 2. Konszolidáció: rövidtávú, labilis emléknyom stabilizálása, függetlenítés a sejtaktivitástól. Tartós változások (fehérjék, struktúra). 3. Tárolás: az emléknyom helye, reprezentáció módja. Szinte végtelen kapacitás (<-> STM) 4.Előhívás: különböző helyeken tárolt infók integrálása, visszaalakítás sejtaktivitási mintázatokba. Függ STM-től, torzulhat (~percepció)

Az explicit memória az agyban Memóriafolyamatok agyterületek Uni- és polimodális asszociációs területek Parahippocampalis kéreg Perirhinalis kéreg Entorhinális kéreg Gyrus dentatus Hippocampus CA3 Hippocampus CA1 Subiculum Kezdeti feldolgozás és tárolás is neocortex Entorhinális kéreg szerepe: Hippocampus fő inputja Hippocampus fő outputja Hipp. és assz. ctx infóinak konvergálása Sérülése: súlyos, multimodális deficit Front., par., temp. neocortex Mediális temporális lebeny Egyéb fontos agyterületek: Prefrontális kéreg STM szerepe Köztiagy (corpus mamm., thalamus) Papez-kör Bazális előagyi magok (Meynert), septális magok Kolinerg moduláció: üzemmód váltás, figyelem

Sejtszintű mechanizmusok HEBB-SZABÁLY Ha A neuron axonja elég közel van ahhoz, hogy gerjessze B neuront, és ismételten vagy folyamatosan hozzájárul annak aktivitásához, akkor valamilyen növekedési folyamat vagy metabolikus változás játszódik le egyik vagy mindkét sejtben, ami miatt A neuron tüzelése egyre hatékonyabban fogja aktiválni B neuront. (Hebb, DO, The Organization of Behavior, 1949) DONALD O. HEBB (1904-1985) CELLS THAT FIRE TOGETHER, WIRE TOGETHER

A plaszticitás formái Transzmitter ürülés változása Modulátoros interneuronok Új szinapszisok Szinaptikus átrendeződés

Habituáció Kandel&Schwarz, 5th ed, 2012 Kevesebb vezikula ürül (glutamát) Szinaptikus kapcsolat erőssége csökken (~ AP - EPSP) Homoszinaptikus (a reflexív saját szinapszisai modulálódnak) 1x10 stimulus percekig tartó habituáció 4x10 stimulus szünetekkel hetekig tart! ( spaced training vs. massed training )

Szenzitizáció Szifóérintés + Farok sokkolása Rövidtávú: 1 párosítás (szifó + sokk) Heteroszinaptikus: a farokból jövő ingerület egy másik neuronon keresztül modulálja a szenzoros neuron szinapszisát Modulátoros interneuron (szerotonin) Preszinaptikus facilitáció erősebb válasz Hosszútávú: 5< párosított stimulus Szerotonin hosszútávú hatása Génexpressziós változás (CREB) Új fehérjék szintézise Szinaptikus átrendeződés Kandel&Schwarz, 5th ed, 2012

Az explicit memória sejtes modellje A hippokampális LTP Uni- és polimodális asszociációs területek Parahippocampalis kéreg Perirhinalis kéreg Entorhinális kéreg Gyrus dentatus Hippocampus CA3 Hippocampus CA1 Subiculum 1 ingerlés EPSP Tetanikus ingerlés (~100Hz) tartósan EPSP (nap-hetek) az egyes ingerekre LTP: hosszú-távú potenciáció Perforáns pálya (ENT DG): asszociatív LTP (több sejt tüzelése kell: NMDA rec. koincidencia detektor) Moharostok (DG CA3): nem-asszociatív LTP (preszin. facilitáció (NAdr), nem NMDA-függő) Schaffer-kollaterális (CA3 CA1): asszociatív LTP

Az asszociatív LTP Asszociatív LTP fő jellemzői 1) Kooperativitás: több afferens egyszerre érkező ingerülete 2) Asszociativitás: egyszerre depolarizálódik a preszinaptikus és posztszinaptikus neuron (~Hebb) 1) Posztszinaptikus depolarizáció 2) NMDA receptorok felszabadulása 3) Glutamát NMDA Ca2+ influx 4) Másodlagos jelátvivők aktiválása (Ca2+) Új AMPA receptorok érzékenység glu-ra Retrográd messenger glutamát release

Korai LTP: 1 tetanuszos sorozat Kései LTP: 4< tetanuszos sorozat, 10 perc szünettel (spaced) Az LTP késői szakasza 1) 1 sorozat NMDA aktiválódik Ca2+ (korai LTP) 2) 4 sorozat Ca2+ 3) Adenilil-cikláz aktiválódik camp jelátviteli kaszkád 4) Transzkripció (pl. növekedési faktorok) 5) Új szinaptikus kapcsolatok

A térbeli memória sejtekben Place cells Egyedi piramissejtek tüzelése reprezentálja az állat helyét a térben HELY-SEJTEK Place-field : adott neuron által reprezentált térrész CA1

A térbeli memória vizsgálata MORRIS WATER MAZE Víz alatti platform megtalálása ismétlés naponta Tájékozódási pontok alapján ( extramaze cues, allocentrikus tájékozódás) Folyamatosan rövidül a platform megtalálásához szükséges idő tanulás Léziókkal elrontható

LTP, helysejtek, térbeli memória LTP kialakulásának gátlása: NMDA antagonisták (pl. MK-801) NMDA R1 gén knock-out mutáns Ca2+/calmodulin-függő kináz mutáns (folyamatos aktiváció) Fiziológiás LTP (1-10Hz, théta) nem alakul ki Place-fieldek zavarossá válnak, nem rögzülnek Water Maze-ben nincs tanulás térbeli memória deficit

Nagymama sejtek? Koncepció: egyes neuronok adott személyre érzékenyek (látványára vagy pl. nevére tüzelnek) 1953 Barlow: béka retina bogár-sejtjei 1969 körül: Lettvin nagymama-sejtekről szóló anekdotája az MIT kurzusán 1967, Konorski: Integrative Activity of the Brain (hipotézisek, predikciók) Gnosztikus neuronok: egyedi neuronok, melyek komplex stimulusokra aktiválódnak Gnosztikus területek: egyes neokortikális területek adott típusú reprezentációkért felelősek (arcok, helyek) Alapja: Hubel&Wiesel (1962, 1965), Mishkin (1966), léziók utáni agnóziák Gross és munkatársai (1970-es évek): arc- és kézszelektív sejtek majom inferotemporális ctx. Quiroga és munkatársai (2005, Nature): smart sejtek a med. temporális lebenyben

Köszönöm a figyelmet!

Demenciák (kiegészítő anyag) Demencia: progresszív memóriazavarral és kognitív tünetekkel járó betegségek, ahol a tünetek nem magyarázhatók normális öregedéssel. Leggyakoribb az Alzheimer-kór (neurodegeneratív). Tünetek: Károsodott a megőrzés és a felidézés is Jellemző a megnevezés zavara (nevek) Tájékozódási zavar (elkóborlás) Magatartászavarok Globális intellektuális hanyatlás

Demenciák (kiegészítő anyag) Az Alzheimer-kór háttere Patológia: amiloid plakkok és neurofibrilláris kötegek agyállomány-csökkenés Patomechanizmus: Kóros fehérje anyagcsere a neuronokban β-amiloid, kóros tau Degeneráció: entorhinális k. hippocampus limbikus rsz. neocortex Meynert-mag, szeptum pusztulása kolinerg depléció Kezelés: acetil-kolin észteráz blokkolók, NMDA antagonista

Ajánlott irodalom Pléh, Gulyás (szerk.) Kognitív idegtudomány (2003), Osiris Breedlove, Watson, Rosenzweig Biological Psychology, 6th (2010), Sinauer http://biopsychology.com/ Kandel, Schwartz - Principles of Neural Science, 5th (2013), McGraw Hill