MEMORIA ED APPRENDIMENTO Fisiologia Farmacia 2012 A.Megighian Memoria ed apprendimento Memoria ! ! ritenzione di informazioni apprese Apprendimento ! ! acquisizione di informazioni o conoscenze Cenni storici ✓ 1915 LASHLEY rimosse varie porzioni della neocortex o tagliò fibre di connessione per prevenire la trasmissione dei segnali da corteccia sensitiva a corteccia motoria, ma non fu capace di interferire con tipi specifici di memoria ✓ 1949 HEBB e la sua teoria ✓ 1953 SCOVILLE e il caso di HM. Il caso rivoluzionò i concetti di memoria in quanto spostò lo studio della memoria da un’analisi della sua localizzazione ad un’analisi dei suoi processi ✓ 1970 BLYSS e LOMO LTP La memoria: è un processo che determina una modifica permanente del comportamento. Non è mai osservata, ma supposta Gli esperimenti di Lashley ci insegnano che non esistono punti del sistema nervoso che possono essere considerati come posti DOVE noi ricordiamo. Lesioni del sistema nervoso DISTURBANO la memoria in quanto vi sono regioni cerebrali coinvolte più o meno nei processi mnemonici. Se la memoria non è costituita da regioni discrete nel cervello come possono queste essere immagazzinate? La memoria non è immagazzinata in un posto, ma piuttosto è una funzione dell’attività dell’intero cervello IL RICORDO Bartlett 1932 Ricordare: il ricordo non è il richiamo di innumerevoli tracce fisse, frammentarie e morte, ma una ricostruzione immaginaria o una costruzione messa in piedi in relazione della nostra attitudine verso un insieme di passate reazioni o esperienze......e con una bassa tendenza a evidenziare dettagli che appaiono comunemente sotto forma di immagini o linguaggio. E’ perciò difficile ogni esatto richiamo al passato anche nei casi più semplici. Sembra come se ciò che si riproduce sia una costruzione che serve a giustificare le impressioni che si sono avute dalla scena originale. HEBB Hebb dimostra l’esistenza di una memoria a breve termine e a lungo termine con il cosiddetto memory span test. Una serie di numeri casuali letti uno al secondo. Alla fine la persona deve ripeterli in ordine; il memory span è normalmente di 8. Hebb: la short-term memory è un processo attivo di durata limitata, mentre la long-term memory coinvolge una modifica strutturale nel sistema nervoso loops neuronali la memoria come pure la sensazione e la percezione o l’emozione sono considerate il flusso di attività in un loop neuronale. Le sinapsi di una via particolare diventano funzionalmente connesse a formare un GRUPPO CELLULARE. Se due neuroni A e B sono eccitati assieme diventano legati funzionalmente. When an axon of cell A is near enough to excite a cell B and repeatedly or persistently takes part in firing it, some growth process or metabolic change takes place in one or both cells such that A’s efficiency, as one of the cells firing B, is increased PRIMA DEFINIZIONE DI PLASTICITA’ SINAPTICA DUE TIPI DI MEMORIA primaria che dura per breve tempo (20 s) (shortterm memory) secondaria la conoscenza di un precedente stato mentale dopo che esso è già scomparso dallo stato cosciente (long-term memory) Short-term memory Amnesia anterograda: incapacità di apprendere nuovi fatti o episodi. Pazienti con questa forma di amnesia, tipicamente causata da un danno dell’ippocampo, hanno un’intatta memoria primaria (capacità di ricordare poche informazioni per un breve periodo, come 30 s), ma hanno delle alterazioni drammatiche nella capacità di formare memorie a lungo termine. DUE TIPI DI MEMORIA A LUNGO TERMINE MEMORIA DICHIARATIVA: memoria proposizionale - vera o falsa MEMORIA NON DICHIARATIVA: non proposizionale né vera né falsa. E’ alla base di modificazioni nell’esperienza pratica e nella capacità di rispondere appropriatamente a stimoli legati alla pratica, come risultato di un apprendimento condizionato o legato all’ambiente. Include anche le modifiche nella capacità di identificare oggetti come risultato di incontri recenti, o priming. L’abilità cambia come risultato dell’esperienza, la qual cosa giustifica il termine memoria, ma senza una coscienza di ciò e senza un accesso cosciente a episodi precedenti. Molte forme di memoria non dichiarativa come l’abitudine, la sensibilizzazione il condizionamente classico sono filogeneticamente antiche e ben conservate e sviluppate negli invertebrati che non hanno il lobo temporale mediale o l’ippocampo DUE TIPI DI MEMORIA A LUNGO TERMINE • SKILL • PROCEDURALE • COMPORTAMENTO MEMORIA • CONOSCERE COME CONOSCERE CHE • TASSONOMICA • SEMANTICA • SKILLS • FATTO • DICHIARATIVA • • • LOCALE • MEDIAZIONE COGNITIVA • INTEGRAZIONE • RICHIAMO CONSCIO • • ELABORAZIONE MEMORIA SENZA REGISTRAZIONE • PERCETTUALE • MEMORIA CON REGISTRAZIONE • DISPOSIZIONALE • SEMANTICA AUTOBIOGRAFICA • DI REFERENZA • MEMORIA A LUNGO TERMINE DICHIARATIVA O ESPLICITA NON DICHIARATIVA O IMPLICITA PROCEDURALE FATTI EVENTI LOBO TEMPORALE MEDIALE DIENCEFALO PRIMING CONDIZIONAMENTO CLASSICO APPRENDIMENTO NON ASSOCIATIVO RISPOSTE MUSCOLO EMOZIONALI SCHELETRICO STRIATO NEOCORTEX AMIGDALA CERVELLETTO VIE RIFLESSE TIPI DI MEMORIA NON DICHIARATIVA ABITUDINE SENSIBILIZZAZIONE CONDIZIONAMENTO CLASSICO (PAVLOVIANO) USANZA COSTUME: tendenze acquisite gradualmente e specifiche ad un gruppo di stimoli e che guidano il comportamento (nucleo caudato) APPRENDIMENTO EMOZIONALE: fear conditioning (amigdala) (Però l’amigdala condiziona anche la memoria dichiarativa che avviene normalmente con una stimolazione emozionale) PRIMING PRIMING • MOT__ • GRUCCIA • GR___IA • MATITA • M___TA • • _ELA • MEM___A • MOTEL VELA • MEMORIA Memoria ed apprendimento Meccanismi associativi: Condizionamento classico associazione di 2 stimoli cambia la risposta ad uno di loro (Pavlov) Stimolo condizionante (CS) - originalmente neutro (nessuna risposta) Stimolo non condizionante (UCS) – automaticamente evoca una risposta – risposta non condizionata (UCR) dopod ripetitive associazioni tra CS e UCS la presentazione di CS evoca la risposta appresa – risposta condizionata (CR) operant conditioning – rafforzamento e punizione Condizionamento classico L’apparato di Pavlov. Un tubicino preleva la saliva dalla bocca del cane ad un recipiente collegato con un sistema di registrazione. Durante il condizionamento, differenti stimoli sono associati al cibo posto di fronte al cane. Pavlov associava il rumore del metronomo con il cibo Rumore Cibo (non ha mai usato un campanello) Il cane normalmente salivava con il cibo, ma non con il metronomo Dopo un certo numero di associazioni, il cane salivava quando il metronomo suonava. Condizionamento operante Memoria ed apprendimento Meccanismi non associativi: abitudine riduzione di una risposta a stimoli ripetuti non dovuta a fatica o adattamento sensibilizzazione aumento in una risposta a stimoli moderati come conseguenza di una esposizione Aplysia Californica Apprendimento in Aplysia Sistema semplice con grandi neuroni (ed identificabili) Aree anatomiche di interesse sono: branchie, mantello, sifone, coda Capace di differenti forme di apprendimento (modifica del riflesso di retrazione delle branchie) Il riflesso di retrazione branchiale in Aplysia Abitudine del riflesso di retrazione branchiale Abitudine del riflesso di retrazione branchiale abitudine – dipende da una modifica nell’attività sinaptica tra neurone moto re e n eu ro n e sensitivo Abitudine del riflesso di retrazione branchiale L’abitudine del riflesso di retrazione branchiale è determinato da una diminuzione dell’efficacia sinaptica Memoria ed apprrendimento sensibilizzazione Forte stimolo cutaneo Eccitazione di interneuroni facilitatori Rilascio di serotonina sui terminali presinaptici di neuroni sensitivi Effetti metabotropici Potenziali d’azione prolungati Prolungata apertura di canali voltaggio-dipndenti per il calcio Maggior rilascio di neurotrasmettitore per potenziale d’azione Sensibilizzazione del riflesso di retrazione branchiale in Aplysia Sensitization of the gill withdrawal reflex in Aplysia Facilitating interneuron AP 5HT Sensory neuron Glu AP EPSP Motor neuron Sensitization of the gill withdrawal reflex in Aplysia Facilitating interneuron AP 5HT Sensory neuron Glu AP More NT release, more post-synaptic current More depolarization, more Ca2+ in Longer EPSP Motor neuron Disabitudine del riflesso di retrazione branchiale Disabitudine/ Sensibilizzazione Dopo che il riflesso di retrazione branchiale si è abituato, uno stimolo alla coda sensibilizza il riflesso di retrazione branchiale evocato toccando il mantello o il sifone Disabitudine è un caso di Sensibilizzazione Disabitudine/ sensibilizzazione Lo shock sulla coda aumenta il rilascio di neurotrasmettitore dal neurone sensoriale Memoria ed apprendimento Tipi di memoria: dichiarativa Fatti ed eventi cosciente procedurale Imparare a suonare uno strumento, usare la bicicletta; incosciente; Ha bisogno di ripetizioni o training; Ritenzione più lunga Memoria ed apprendimento Consolidamento della memoria – immagazzinamento della conoscenza nella long-term memory Hebb – circuiti riverberanti – l’eccitazione prolungata porta a modifiche chimiche e strutturali Memoria per fatti interessanti o importanti (emozionalmente) è aumentata Coinvolgimento dell’amigdala (stimolazione dell’ippocampo e della corteccia) Lesioni dell’amigdala alterano l’effeto potenziante delle emozioni sulla memoria Memoria ed apprendimento ippocampo H. M. – rimozione dell’ippocampo: Amnesia retrograda (perdita della memoria per fatti avvenuti poco prima dell’operazione) short-term/working memory intatta (test della stella) Amnesia anterograda acuta (memoria dichiarativa) (perdita di memoria per fatti che acadono dopo l’operazione) Memoria procedurale intatta Memoria ed apprendimento Teorie sulla funzione ippocampale: Memoria dichiarativa, esplicita Supportato dal caso H.M. Danno ippocampale altera la memoria implicita Negli altri mammiferi NON altera tutte le forme di memoria ottenute con procedure simili a quelle della memoria dichiarativa per l’uomo Dipende dal protocollo sperimentale applicato Amnesia Disturbi della memoria • amnesia anterograda: deficit nell’apprendere nuove informazioni • amnesia retrograda: deficit in richiamare informazioni precedentemente apprese H.M. • Epilessia progressiva ed incontrollata sin dall’età di ~10 anni • A 27 anni (1953) rimozione chirurgica dei lobi temporali per controllare gli attacchi epilettici. • L’intervento ebbe successo, ma determinò una profonda amnesia. H.M. H.M. • Poteva ricordare eventi/fatti del suo passato remoto • Non poteva ricordare eventi/fatti nell’anno(i) precedente l’intervento • Non poteva apprendere nuovi eventi/fatti o ricordare eventi dal momento dell’intervento in poi • QI normale • Short term memory normale (memory span) • Poteva formare nuove memorie implicite H.M. • MTL è importnate per la memoria esplicita, ma non per quella implicita • MTL non è il sito di stoccaggio della memoria • MTL gioca un ruolo nel “consolidamento” della memoria esplicita • Il “consolidamento” non è immediato, ma richiede mesi o anni (amnesia retrograda graduale) H.M. • Quali strutture del MTL sono importanti nella memoria •amigdala •giro paraippocampale •corteccia entorinale •corteccia peririnale EFFETTI DELLA LOBECTOMIA TEMPORALE SINISTRA O DESTRA SUI VARI TEST DI MEMORIA Memoria ed apprendimento Memoria spaziale rat maze experiments Ippocampo è coinvolto anche in aspetti non spaziali di questo test configural learning Il significato dello stimolo dipende dal tipo di altro stimolo appaiato, e.g. A + cibo; B + cibo; AB + niente cibo Ippocampo è coinvolto nel configural learning se è sufficientemente difficile Lesioni cerebrali e memoria Sindrome di Korsakoff – deficenza prolungata di tiamina (B1). Deficenza di tiamina perdita di neuroni nel talamo dorsomediale Lesioni della corteccia prefrontale apatia, confusione, amnesia retrograda e anterograda; Migliore la memoria implicita; Alterato giudizio sulle proprie memorie; confabulazione; Malattia di Alzheimer Dimenticanze e poi perdita di memoria confusione, depressione, irrequitezza allucinazioni Insonnia, perdita di appetito Alterate: Memoria proce durale, memoria esplicita, attenzione. Genetica; Accumulo eccessivo di placche amiloidi Atrofia della corteccia cerebrale (spec. entorinale), ippocampo formazione di ammassi neurofibrillari Long-term potentiation LTP data Plasticità sinaptica long term potentiation (LTP) una risposta accentuata in seguito ad un rapido ed intenso stimolo del neurone da parte dell’azione simultanea di diversi assoni I meccanismi alla sua basa differiscono nelle diverse aree cerebrali Prominente nell’ippocampo Attraente come modello cellulare di apprendimento e memoria: specificità –solo le sinapsi attive sono interessate cooperatività – solo la simultanea stimolazione induce LTP associatività – LTP è hebbiana (non necessità di potenziale d’azione – la sola depolarizzazione è sufficiente) Biochimica dell’ LTP – attori principali: Recettori per il Glutammato AMPA – apre i canali per il sodio NMDA – permette al sodio ed al calcio di entrare nel neurone Responde al Glutammato SOLO quando la membrana è parzialmente depolarizzata Rimozione degli ioni Mg che bloccano I recettori NMDA L’eccitazione glutammatergica dei recettori NMDA apre i canali del calcio NMDA-dependenti Il flusso di calcio attiva le protein chinasi: protein chinasi C (PKC) CaMKII (calcium calmodulindependent protein kinase) alterazione della struttura (fosforilazione) dei recettori AMPA conversione di alcuni recettori NMDA in recettori AMPA creazione di più recettori AMPA Aumento della ramificazione dendritica Aumento della risposta dendritica al Glutammato Meccanismi molecolari di memoria in Drosophila da Mayford M e Kandel E.: TIGS, 15, 463, 1999 CRE membrana P CREB-repressore CREB-attivatore nucleo Ca/CaM SUBUNITA’ CATALITICA ATP SUBUNITA’ REGOLATIVA rutabaga PKA cAMP amnesiac PDE AMP dunce CRE Long term CREB 2 CRE Early CAAT Early Late P coda CREB-1A mapK C/EBP 5 HT Short term Ubiquitina CLATRINA cAMP CRESCITA PKA 1 K channel Ca channel 2 apCAM