Insegnamento di Fisiologia
6. PSICOFISIOLOGIA DI
APPRENDIMENTO E
MEMORIA
Claudio Babiloni
Dipartimento di Fisiologia Umana e Farmacologia
Università di Roma “La Sapienza”
Notizie utili

Testo consigliato: Carlson N., Fondamenti di Psicologia
Fisiologica, V edizione, ed. it. a cura di L. Petrosini, L.
De Gennaro e C. Guariglia, Casa Editrice Piccin 2003.

Figure di questa lezione prese dal testo consigliato.
Copie dei lucidi disponibili su sito WEB;
http://hreeg.ifu.uniroma1.it/Education2/Materiale_didatti
co.htm


Indirizzo email: [email protected]
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Apprendimento e plasticità dei neuroni ippocampali
Apprendimento: produce dei cambiamenti nel modo in cui percepiamo, agiamo, pensiamo e sentiamo. Ciò si realizza mediante
cambiamenti nei circuiti neurali che servono tali funzioni. Apprendimento percettivo: consiste principalmente in cambiamenti
del sistema percettivo che ci permettono di riconoscere gli stimoli, in modo che possiamo rispondere appropriatamente.
L’apprendimento stimolo-risposta: consiste di connessioni tra il sistema percettivo e quello motorio. Le forme più importanti
sono il condizionamento classico e quello operante. Il condizionamento classico: si verifica quando uno stimolo neutrale è
seguito da uno stimolo incondizionato (SI), il quale induce naturalmente una risposta incondizionata (RI). Dopo questa
associazione, lo stimolo neutrale diviene stimolo condizionato (SC). Lo SC stimola da sé la produzione della risposta, che
chiamiamo condizionata. Il condizionamento operante: si verifica quando una risposta è seguita da uno stimolo rinforzante
(acqua, cibo, approvazione sociale) o dalla abolizione di uno stimolo disturbante (dolorifico o ansiogeno). Ciò aumenta la
possibilità che lo stimolo induca la risposta rinforzata. L’apprendimento motorio: imparare a mettere in atto una risposta
nuova. Si basa sul cambiamento di circuiti motori e sensitivi (schemi sensitivo-motori, quindi una forma di apprendimento
stimolo-risposta). L’apprendimento associativo: implica la capacità di riconoscere gli oggetti attraverso più di una modalità
sensoriale, riconoscere la posizione relativa degli oggetti nell’ambiente e ricordare la sequenza in cui gli eventi si verificano
durante particolari episodi di vita. Apprendimento e plasticità sinaptica: stimolazioni ad alta frequenza di un circuito di
neuroni nell’ippocampo rafforzano le sinapsi tra i neuroni. L’effetto è che la ripetizione dello stimolo determina potenziali postsinaptici eccitatori più ampi che nella prima stimolazione, il fenomeno è chiamato potenziamento a lungo termine.
Potenziamento a lungo termine nei neuroni ippocampali: i recettori NMDA (recettori del glutammato connessi a canali per il
calcio) sulla membrana post-sinaptica sono sensibili al neurotrasmettitore eccitatorio glutammato emesso dal neurone presinaptico. Tali recettori controllano i canali del calcio, ma possono aprirli soltanto se la membrana post-sinaptica è già
depolarizzata. Quindi, la combinazione di depolarizzazione di membrana post-sinaptica e attivazione di recettori NMDA causa
l’entrata di ioni calcio. L’aumento di calcio nel neurone post-sinaptico attiva enzimi calcio-dipendenti che causano l’inserimento
di recettori AMPA (recettori del glutammato connessi a canali per il sodio) nella membrana post-sinaptica, rendendola più
sensibile al neurotrasmettitore glutammato e facendo generare un potenziale post-sinaptico più ampio. Gli enzimi calciodipendenti possono attivare enzimi (NO sintetasi) che fanno diffondere ossido d’azoto fuori dalla membrana post-sinaptica,
aumentando l’espulsione di neurotrasmettitore glutammato dal neurone pre-sinaptico. Depressione a lungo termine nei
neuroni ippocampali: si verifica quando viene attivita una sinapsi nello stesso momento in cui la membrana post-sinaptica è
inibita (iperpolarizzata).
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Basi neurali dell’apprendimento percettivo e del
condizionamento
Basi neurali dell’apprendimento percettivo: le sinapsi della corteccia associativa sensoriale. Il riconoscimento visivo di
oggetti dipende dalla corteccia temporale inferiore (via ventrale del sistema visivo). La sua lesione interferisce il riconoscimento.
La valutazione visuo-spaziale degli oggetti dipende da aree corticali parietali posteriori (via dorsale del sistema visivo). La
memoria visiva a breve termine: implica l’attivazione di neuroni nella corteccia associativa visiva. Neuroni nella corteccia
temporale inferiore codificano le informazioni presentate durante il periodo in cui è presente l’oggetto e anche nel periodo in cui
temporaneamente l’oggetto è nascosto prima di un successivo confronto tra stimoli. La corteccia prefrontale concorre a
mantenere l’informazione sull’oggetto quando esso è nascosto e, inoltre, converte le informazioni sensoriali in piani di risposta
comportamentale. Basi neurali del condizionamento classico: quando uno stimolo neutrale uditivo (SC) è seguito da uno
stimolo incondizionato come la scossa ad una zampa (SI) i due tipi di informazione convergono nella porzione mediale del
nucleo genicolato mediale del talamo e nell’amigdala laterale. L’amigdala laterale è connessa, mediante il nucleo basolaterale, al
nucleo centrale, che è responsabile delle varie componenti della risposta emozionale. Le lesioni in un punto qualsiasi di questo
circuito interrompono la risposta. L’apprendimento è mediato dal potenziamento a lungo termine dei neuroni del suddetto
circuito, mediato dai recettori NMDA..Il potenziamento a lungo termine dei neuroni dell’amigdala laterale aumenta la riposta
neurale agli stimoli uditivi (RC). Basi neurali del condizionamento operante: i gangli della base sono uno dei siti ove si
rafforzano le sinapsi tra neuroni che codificano gli stimoli e quelli che controllano la risposta motoria automatica-abituale. I
gangli della base ricevono dalla corteccia informazioni relative sia sensoriali sia riguardo la pianificazione dei movimenti. La
loro lesione disturba il condizionamento operante. Una malattia dei gangli della base (morbo di Parkinson) disturba la
produzione di risposte motorie automatiche e disturba l’apprendimento motorio. Rinforzo e dopamina:.la dopamina è un
importante neurotrasmettitore collegato al rinforzo. I circuiti neurali del rinforzo: i neuroni dopaminergici originano dal
mesencefalo (sostanza nera) e si connettono con gangli della base (nucleo accumbens), corteccia prefrontale e amigdala. La
presenza di stimoli rinforzanti determina il rilascio di dopamina nel nucleo accumbens. Anche l’ipotalamo laterale è parte del
circuito quando il rinforzo è il cibo o l’acqua in condizioni di deprivazione. La lesione dell’amigdala abolisce il rinforzo
condizionato. La corteccia prefrontale rinforza i circuiti neurali dei piani che raggiungono l’obiettivo prefissato. Uomini e topi
operano per assumere sostanze simili alla dopamina (anfetamina, cocaina).
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Basi neurali dell’apprendimento associativo
Amnesia anterograda: una lesione cerebrale (danno bilaterale dell’ippocampo e sindrome di Korsakoff) rende incapaci di
ricordare a lungo termine eventi successivi alla lesione, anche se la memoria a breve termine (quella necessaria per ricordare le
cose per pochi secondi) è del tutto integra. Apprendimento/memoria procedurale e dichiarativa: il deficit in questione non
riguarda l’apprendimento e il richiamo (memoria procedurale o implicita) di eventi percettivi, di associazioni stimolo-risposta e
di sequenze motorie. Esso riguarda l’apprendimento e la memoria dichiarativa o esplicita di eventi o episodi.
Input e out dell’ippocampo: è una struttura nervosa della regione temporale mediale. Gli input all’ippocampo arrivano tramite
stazioni di ritrasmissione nelle corteccie peririnali, paraippocampali ed entorinali. Le uscite dall’ippocampo seguono il percorso
opposto. Gli input-output sotto-corticali dell’ippocampo viaggiano nel fornice. Lesione sperimentale dell’ippocampo:
distrugge la capacità di apprendere relazioni spaziali e relazioni temporali tra eventi (ora rispetto a prima). L’ippocampo contiene
neuroni che codificano la posizione dell’individuo rispetto agli stimoli ambientali (place cell). Tuttvia, l’ipoocampo è cruciale
anche per l’apprendimento di relazioni non spaziali tra gli oggetti e nella discriminazione tra diversi eventi e contesti
dell’apprendimento. Potenziamento a lungo termine nei neuroni ippocampali: i recettori NMDA sulla membrana postsinaptica ippocampale sono responsabili dell’apprendimento spaziale, dato che un’alterazione genica che danneggia il recettore
NMDA impedisce l’apprendimento spaziale.
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
I tipi di apprendimento “procedurali”, “impliciti”, “non
dichiarativi”
Apprendimento: produce dei cambiamenti nel modo in cui percepiamo, agiamo, pensiamo e sentiamo. Ciò si
realizza mediante cambiamenti nei circuiti neurali che servono tali funzioni
Apprendimento
percettivo: consiste principalmente in cambiamenti del sistema percettivo che ci
permettono di riconoscere gli stimoli, in modo che possiamo rispondere appropriatamente
L’apprendimento
motorio: imparare a mettere in atto una risposta nuova. Si basa sul cambiamento di
circuiti motori e sensitivi (schemi sensitivo-motori, quindi una forma di apprendimento stimolo-risposta)
Apprendimento
stimolo-risposta: consiste di connessioni tra il sistema percettivo e quello motorio. Le
forme più importanti sono il condizionamento classico e quello operante
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.3 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Basi neurali dell’apprendimento
percettivo
Apprendimento
percettivo: dipende
dal rafforzamento di
sinapsi della corteccia
associativa posteriore
(sensoriale) e frontale
Via ventrale del
sistema visivo: il

riconoscimento visivo di
oggetti dipende dalla
corteccia temporale
inferiore. La sua lesione
interferisce il
riconoscimento di oggetti
Via dorsale del
sistema visivo: la

valutazione visuospaziale degli oggetti
dipende da aree corticali
parietali posteriori
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.6 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Il modello neurale semplificato del condizionamento classico
Il
condizionamento
classico: si verifica quando
uno stimolo neutrale è seguito
da uno stimolo incondizionato
(SI), il quale induce
naturalmente una risposta
incondizionata (RI). Dopo
questa associazione, lo stimolo
neutrale diviene stimolo
condizionato (SC). Lo SC
stimola da sé la produzione
della risposta, che chiamiamo
condizionata
Legge
di Hebb:
illustra un possibile modello
neurale del condizionamento
classico. Tale modello si base
sull’ipotesi di Hebb che
l’apprendimento coinvolga il
rafforzamento di una sinapsi
che viene attivata
ripetutamente quando il
neurone post-sinaptico è attivo
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.1 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Circuiti nervosi implicati nel condizionamento classico
Fig. 12.18 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
I
circuiti nervosi:
quando uno stimolo neutrale
uditivo (SC) è seguito da uno
stimolo incondizionato come la
scossa ad una zampa (SI), i due
tipi di informazione convergono
nella porzione mediale del
nucleo genicolato mediale del
talamo e nell’amigdala laterale
Amigdala
laterale: è
connessa mediante il nucleo
basolaterale al nucleo centrale,
che è responsabile delle varie
componenti della risposta
emozionale. Le lesioni in un
punto qualsiasi di questo circuito
interrompono la risposta
Effetti del
condizionamento: il

potenziamento a lungo termine
dei neuroni dell’amigdala
laterale aumenta la riposta
neurale agli stimoli uditivi (RC)
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.19 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Il modello neurale semplificato del condizionamento operante
Il
condizionamento operante o apprendimento strumentale: si verifica quando una risposta
emessa in una certa situazione (stimolo ambientale) è seguita da uno stimolo rinforzante (acqua, cibo, approvazione
sociale) o dalla abolizione di uno stimolo disturbante o punitivo (dolorifico o ansiogeno). Ciò aumenta la possibilità che
lo stimolo ambientale induca la risposta rinforzata in futuro
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.2 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Circuiti nervosi implicati nel
condizionamento operante
I
gangli della base:
si rafforzano le sinapsi tra
neuroni che codificano gli
stimoli e quelli che
controllano la risposta
motoria automatica-abituale
Connessioni
anatomiche: i gangli

della base ricevono dalla
corteccia informazioni
relative sia sensoriali sia
riguardo la pianificazione dei
movimenti
Lesione dei gangli
della base: disturba il

condizionamento operante.
Una malattia dei gangli della
base (morbo di Parkinson)
disturba la produzione di
risposte motorie automatiche
e disturba l’apprendimento
motorio
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.20 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Lo stimolo di rinforzo e il
neurotrasmettitore dopamina
Stimolo
di
rinforzo e
dopamina: la
dopamina è un
importante
neurotrasmettitore
collegato al rinforzo
I circuiti
neurali del
rinforzo: i neuroni

dopaminergici
originano dal
mesencefalo (sostanza
nera) e si connettono
con gangli della base
(nucleo accumbens),
corteccia prefrontale e
amigdala
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.21 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Lo stimolo di rinforzo e il
neurotrasmettitore dopamina
Stimolazione
rinforzante
(premio): determina il
rilascio di dopamina nel
nucleo accumbens dei gangli
della base. Anche
l’ipotalamo laterale è parte
del circuito quando il
rinforzo è il cibo o l’acqua in
condizioni di deprivazione
La lesione
dell’amigdala: abolisce

il rinforzo condizionato
La corteccia
prefrontale: rinforza i

circuiti neurali dei piani che
raggiungono l’obiettivo
prefissato. Uomini e topi
operano per assumere
sostanze simili alla
dopamina (anfetamina,
cocaina)
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.22 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Apprendimento e plasticità neurale
L’apprendimento
associativo: implica la
capacità di riconoscere gli
oggetti attraverso più di una
modalità sensoriale,
riconoscere la posizione
spaziale relativa degli oggetti
nell’ambiente e ricordare la
sequenza in cui gli eventi si
verificano durante particolari
episodi di vita
Apprendimento
e
plasticità sinaptica:
stimolazioni ad alta frequenza
di un circuito di neuroni
nell’ippocampo (in figura)
rafforzano le sinapsi tra i
neuroni. L’effetto è che la
ripetizione dello stimolo
determina potenziali postsinaptici eccitatori più ampi
che nella prima stimolazione, il
fenomeno è chiamato
potenziamento a lungo termine
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.4 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Potenziamento a lungo termine
nei neuroni ippocampali
I
recettori NMDA: sulla membrana
post-sinaptica sono sensibili al
neurotrasmettitore eccitatorio glutammato
emesso dal neurone pre-sinaptico ippocampale e
controllano canali del calcio. Possono aprirli
soltanto se la membrana post-sinaptica è già
depolarizzata. Quindi, la combinazione di
depolarizzazione di membrana post-sinaptica e
attivazione di recettori NMDA causa l’entrata di
ioni calcio

Enzimi calcio-dipendenti:
all’entrata di calcio, causano l’inserimento di
recettori AMPA (recettori del glutammato
connessi a canali per il sodio) nella membrana
post-sinaptica, rendendola più sensibile al
neurotrasmettitore glutammato e facendo
generare un potenziale post-sinaptico più ampio
Influenze sul neurone presinaptico: gli enzimi calcio-dipendenti

possono attivare enzimi (NO sintetasi) che fanno
diffondere ossido d’azoto fuori dalla membrana
post-sinaptica, aumentando l’espulsione di
neurotrasmettitore glutammato dal neurone presinaptico
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.7 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Modelli di potenziamento a lungo termine nei neuroni
ippocampali (I)
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.8 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Modelli di potenziamento a lungo termine nei neuroni
ippocampali (II)
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.9 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Modelli di potenziamento a lungo termine nei neuroni
ippocampali (III)
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.12 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Modelli di potenziamento a lungo termine nei neuroni
ippocampali (IV)
CAM-KII: è una chinasi
calcio-calmodulina di tipo II, un
enzima attivato dal calcio. Può
svolgere un ruolo nel consolidamento
del potenziamento a lungo termine
Enzimi calciodipendenti: possono attivare

enzimi (ossido d’azoto sintetasi, NO
sintetasi) che fanno diffondere ossido
d’azoto fuori dalla membrana postsinaptica, aumentando l’espulsione di
neurotrasmettitore glutammato dal
neurone pre-sinaptico
Depressione
a lungo
termine nei neuroni
ippocampali: una diminuzione a
lungo termine della eccitabilità di un
neurone per un particolare input
sinaptico, la quale è causata dalla
stimolazione del bottone terminale
mentre la membrana post-sinaptica è
iperpolarizzata o debolmente
depolarizzata
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.13 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Il mantenimento in memoria dell’informazione
La
memoria visiva a breve termine: implica l’attivazione di neuroni nella corteccia associativa visiva
Corteccia temporale inferiore: codificano le informazioni presentate durante il periodo in cui è presente
l’oggetto e anche nel periodo in cui temporaneamente l’oggetto è nascosto prima di un successivo confronto tra stimoli
(risposta ritardata)

Corteccia prefrontale: concorre a mantenere l’informazione sull’oggetto quando esso è nascosto e, inoltre,
converte le informazioni sensoriali in piani di risposta comportamentale
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.17 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Tipi di amnesia (dimenticanza)
Amnesia
anterograda: una lesione
cerebrale (danno bilaterale
dell’ippocampo; sindrome di
Korsakoff, vale a dire danno dei
nuclei mammillari del talamo)
rende incapaci di ricordare a
lungo termine eventi successivi
al danno cerebrale, anche se la
memoria a breve termine (quella
necessaria per ricordare le cose
per pochi secondi) è del tutto
integra
Amnesia
retrograda: rigurda la
dimenticanza degli eventi che
precedono un danno cerebrale,
come un trauma cranico o una
forte stimolazione elettrica o
magnetica cerebrale (esempio:
elettroshock)
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.23 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Ippocampo e apprendimento associativo
Apprendime
nto/memoria
procedurale e
dichiarativa: il
deficit in questione
non riguarda
l’apprendimento e il
richiamo (memoria
procedurale o
implicita) di eventi
percettivi, di
associazioni
stimolo-risposta e di
sequenze motorie.
Esso riguarda
l’apprendimento e la
memoria
dichiarativa o
esplicita di eventi o
episodi del passato
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Tabella. 12.1 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Connessioni anatomiche dell’ippocampo
Input
e out
dell’ippocampo:
è una struttura nervosa
della regione
temporale mediale
Gli
input
all’ippocampo:
arrivano tramite
stazioni di
ritrasmissione nelle
corteccie peririnali,
paraippocampali ed
entorinali
Le
uscite
dall’ippocampo:
seguono il percorso
opposto. Gli inputoutput sotto-corticali
dell’ippocampo
viaggiano nel fornice
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.28 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
Ippocampo e apprendimento associativo
Lesione
sperimentale
dell’ippocampo: distrugge la
capacità di apprendere relazioni
spaziali e relazioni temporali tra
eventi (ora rispetto a prima)
Caratteristiche spaziali
dei neuroni ippocampali:

codificano la posizione
dell’individuo rispetto agli stimoli
ambientali (place cell). I recettori
NMDA sulla membrana postsinaptica ippocampale sono
responsabili dell’apprendimento
spaziale per potenziamento a lungo
termine
Caratteristiche
non
spaziali dei neuroni
ippocampali: l’ipoocampo è
cruciale anche per l’apprendimento
di relazioni non spaziali tra gli
oggetti e nella discriminazione tra
diversi eventi e contesti
dell’apprendimento
Claudio Babiloni, Neurofisiologia
Fig. 12.30 di Carlson, Psicologia fisiologica, Piccin, 2003
AUTOVALUTAZIONE
APPRENDIMENTO E PLASTICITÀ DEI NEURONI IPPOCAMPALI
Definizione di apprendimento e di apprendimento percettivo
I due principali tipi di apprendimento stimolo-risposta: il condizionamento
Definizione dell’apprendimento motorio
Definizione dell’apprendimento associativo
Esempio di plasticità sinaptica di neuroni dell’ippocampo (potenziamento a lungo termine e depressione a lungo
termine)
BASI NEURALI DELL’APPRENDIMENTO PERCETTIVO E DEL CONDIZIONAMENTO
Basi neurali dell’apprendimento percettivo e della memoria visiva a breve termine
Basi neurali del condizionamento classico
Basi neurali del condizionamento operante
Relazione tra stimolo di rinforzo e circuiti dopaminergici
BASI NEURALI DELL’APPRENDIMENTO ASSOCIATIVO
Definizione di amnesia anterograda e retrograda
Definizione di apprendimento/memoria procedurale rispetto a quella dichiarativa e relazioni con l’ippocampo
Claudio Babiloni, Neurofisiologia