Μάθηση και Μνήμη. Ε. Παρασκευά Αναπλ. Καθηγήτρια Κυτταρικής Φυσιολογίας Τμήμα Ιατρικής Π.Θ. 2018

Transcript

1 Μάθηση και Μνήμη Ε. Παρασκευά Αναπλ. Καθηγήτρια Κυτταρικής Φυσιολογίας Τμήμα Ιατρικής Π.Θ. 2018

2 Μάθηση: η διεργασία µε την οποία αποκτούµε γνώσεις για τον κόσµο η οποία θα οδηγήσει στην τροποποίηση µιας συµπεριφοράς Μνήµη: η αποθήκευση των πληροφοριών αυτών η ικανότητα να θυµόµαστε παλιότερες εµπειρίες 2

3 Η µάθηση και η µνήµη Ø είναι αλληλένδετες Η µνήµη εξαρτάται από τη µάθηση. Όµως και η µάθηση εξαρτάται από τη µνήµη, επειδή η αποθηκευµένη στη µνήµη γνώση αποτελεί το δίκτυο στο οποίο συνδέονται καινούριες γνώσεις. Όσο εκτενέστερο είναι το δίκτυο των γνώσεων µας, τόσο πιο εύκολα συνδέουµε σε αυτό καινούριες γνώσεις. Ø oδηγούν σε τροποποίηση της συµπεριφοράς Όλες οι χαρακτηριστικά ανθρώπινες συµπεριφορές µαθαίνονται Σκοπός της µνήµης δεν είναι η ανάκληση του παρελθόντος, αλλά η πρόβλεψη του µέλλοντος. Alain Berthoz 3

4 Η µάθηση-µνήµη δεν είναι µια απλή και ενιαία διαδικασία Μορφές Μνήµης Διαχωρισµός της µνήµης µε κριτήριο v τη δυνατότητα περιγραφής της µε λέξεις v συµµετοχή συνείδησης / επίγνωση Έκδηλη µνήµη (δηλωτική) Άδηλη µνήµη (διαδικαστική) Τι; Πού; Πότε; Πώς; v τη διάρκεια Βραχύχρονη µνήµη Μακρόχρονη µνήµη 4

5 Μέθοδοι µελέτης της µνήµης: ü Εξέταση ασθενών ζώων µε εγκεφαλικές βλάβες ü Απεικονιστικές µελέτες ü Ζωικά µοντέλα µνήµης & µάθησης 5

6 Αµνησία: Απώλεια µνήµης συνήθως αφορά µία ολόκληρη χρονική περίοδο και όχι συγκεκριµένες πληροφορίες Οπισθόδροµη (αναδροµική ή ανάδροµη) αµνησία: αδυναµία ανάκλησης πρόσφατων γεγονότων του παρελθόντος αδυναµία ανάκλησης σχηµατισµένων µνηµών τραυµατισµοί που επηρεάζουν την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου Προσθιόδροµη (πρόδροµη ή ορθρόδροµη) αµνησία: αδυναµία ανάκλησης γεγονότων που συνέβησαν µετά από τραυµατισµό αδυναµία δηµιουργίας νέων µνηµών βλάβη στους µηχανισµούς δηµιουργίας µακροπρόθεσµης µνήµης 6

7 Ο ασθενής H.M. Για την θεραπεία επιληπτικών κρίσεων υποβλήθηκε σε Αµφίπλευρη εκτοµή των έσω κροταφικών λοβών, συµπεριλαµβανοµένων µέρους του ιπποκάµπου και της αµυγδαλής Αµνησία Οπισθόδροµη αµνησία: µερική Προσθιόδροµη αµνησία: σοβαρή Φυσιολογικός δείκτης ευφυίας Φυσιολογική Διαδικαστική µνήµη Βλάβη στη Δηλωτική µνήµη Δοκιµασίες µε λέξεις ή αριθµούς: u Φυσιολογική βραχυπρόθεσµη µνήµη u Αδυναµία σχηµατισµού µακροπρόθεσµης µνήµης 7

8 Διαδικαστική µνήµη - Δοκιµασία σχεδιασµού µε καθρέφτη Ο Η.Μ. είχε φυσιολογικές επιδόσεις όµως, δεν θυµόταν ότι είχε κάνει τη δοκιµασία! Δύο διαφορετικοί τύποι µνήµης Φυσιολογική Διαδικαστική µνήµη Βλάβη στη Δηλωτική µνήµη ü συµµετοχή του έσω κροταφικού λοβού ιπποκάµπου 8

9 Μορφές Μνήµης Ø Διαφορετικοί τύποι Αµνησίας επηρεάζουν διαφορετικούς τύπους µνήµης Ø Διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου ειδικεύονται στην αποθήκευση των διαφόρων τύπων µνήµης Δηλωτική μνήμη Αποθήκευση Μακρόχρονης μνήμης διάφορες θέσεις στον φλοιό: περιοχή Wernicke σημασία λέξεων, κροταφικός φλοιός- μνήμες αντικειμένων και προσώπων, κ.α. Διαδικαστική μνήμη Αποθήκευση Μακρόχρονης μνήμης παραγκεφαλίδα, βασικά γάγγλια, προκινητικός φλοιός και άλλες θέσεις σχετικές με κινητικές συμπεριφορές Αποθήκευση Βραχύχρονης μνήμης (ιππόκαμπος και σχετιζόμενες δομές) Αποθήκευση Βραχύχρονης μνήμης (οι θέσεις είναι άγνωστες, αλλά πιθανότατα διάσπαρτες) 9

10 Έκδηλη µνήµη (δηλωτική) Σηµασιολογική Πληροφορίες, δεδοµένα (Τεκµηριωµένη γνώση) Επεισοδιακή Γεγονότα (Αυτοβιογραφικά συµβάντα) Απαιτεί συνειδητή συµµετοχή Στην έκδηλη µνήµη παρεµβαίνει το σύστηµα του έσω κροταφικού λοβού ο ιππόκαµπος 10

11 Άδηλη µνήµη (διαδικαστική) Προετοιµασία αντίδρασης Αντιληπτικές & Εξαρτηµένη µάθηση Μη εξαρτηµένη µάθηση κινητικές δεξιότητες (κλασσική συντελεστική) (εθισµόςευαισθητοποίηση) Μυοσκελετικές αποκρίσεις Νεοφλοιός Ραβδωτό σώµα Συναισθηµατικές αποκρίσεις Παρεγκεφαλίδα Αµυγδαλή Αντανακλαστικά 11

12 Μη εξαρτηµένη µάθηση -τον εθισµό (habituation): το υποκείµενο µαθαίνει τις ιδιότητες ενός µεµονωµένου αβλαβούς ερεθίσµατος και µαθαίνει να αγνοεί το ερέθισµα και να ελαττώνει την απόκρισή του σε αυτό - την ευαισθητοποίηση (sensitization): το υποκείµενο έχει δεχτεί ένα βλαβερό ερέθισµα και µαθαίνει να αντιδρά εντονότερα σε άλλα, ακόµη και αβλαβή ερεθίσµατα Εθισµός Ευαισθητοποίηση 12

13 Εξαρτηµένη Μάθηση Αντί το υποκείµενο να µαθαίνει τις ιδιότητες ενός ερεθίσµατος, µαθαίνει να συνδυάζει ένα τύπο ερεθίσµατος µε ένα άλλο. ü κλασική εξαρτηµένη µάθηση (classical conditioning) ü συντελεστική εξαρτηµένη µάθηση (operant conditioning) 13

14 Ερέθισµα Απόκριση Ερέθισµα Απόκριση - κλασική εξαρτηµένη µάθηση (classical conditioning): το υποκείµενο µαθαίνει τη σχέση µεταξύ δύο ερεθισµάτων, ενός εξαρτηµένου ερεθίσµατος (ΕΕ) και ενός µη εξαρτηµένου ερεθίσµατος (ΜΕΕ). πειράµατα Pavlov hep:// 14

15 15

16 - συντελεστική εξαρτηµένη µάθηση (operant conditioning): το υποκείµενο µαθαίνει τη σχέση (συνέπεια) µεταξύ ερεθίσµατος και απόκρισης πειράµατα Thorndike 16

17 Τα χρονικά στάδια της µνήµης αισθητική µνήµη (ως δευτερόλεπτα) αντίληψη, δεν απαιτεί συνειδητή προσοχή βραχύχρονη µνήµη (δευτερόλεπτα ως ώρες) µακρόχρονη µνήµη (ήµερες ως χρόνια) Φυσιολογία Συμεπριφοράς Ε. Παρασκευά 17

18 Οι τρεις τύποι µνήµης αποτελούν διαδοχικά στάδια Κωδικοποίηση Εδραίωση Ανάκληση Συνεχής ανταλλαγή πληροφοριών ανάµεσα στη βραχύχρονη και µακρόχρονη µνήµη 18

19 Ενεργός Μνήµη (Μνήµη εργασίας) Ανάκληση Συσχέτιση Τροποποίηση Επαναιδραίωση 19

20 Βραχύχρονη Μνήµη (ενεργός µνήµη ή βραχυπρόθεσµη µνήµη ή µνήµη εργασίας) Καταγραφή και κατακράτηση πληροφορίας για µερικά δευτερόλεπτα Ικανότητα συγκράτησης 7±2 αντικειµένων/πληροφοριών ü Συνειδητή διατήρηση πληροφορίας ü Συστατικό τµήµα πολλών µορφών ανώτερων πνευµατικών λειτουργιών ü Αποτελείται από ανεξάρτητα τµήµατα Επικέντρωση Προσοχής Συσχέτιση προσοχής ενεργού µνήµης µετρούµενης ευφυΐας 20

21 Ενδοφλοιική µεταφορά της µνήµης Οι πληροφορίες µεταφέρονται από τη βραχύχρονη στη µακρόχρονη µνήµη µέσω του ιπποκάµπου Οι πληροφορίες συγκλίνουν στον ιππόκαµπο από τις αισθητικές περιοχές του φλοιού & επιστρέφουν από τον ιππόκαµπο στις περιοχές απ όπου προέρχονται Στον ιππόκαµπο ü οι νέες εντυπώσεις συγκρίνονται µε τις καταγεγραµµένες ü δηµιουργούνται συσχετίσεις ανάµεσα στις διαφορετικές ιδιότητες ενός αντικειµένου 21

22 Νευρικοί μηχανισμοί μάθησης και μνήμης Πώς αποθηκεύονται οι πληροφορίες; 22

23 Η µνήµη αποθηκεύεται σε µεταβαλλόµενες συνάψεις Η µάθηση βασίζεται στην πλαστικότητα των νευρωνικών κυκλωµάτων στον εγκέφαλο Ικανότητα των νευρώνων να επιτυγχάνουν µακροχρόνιες αλλαγές στην αποτελεσµατικότητα της συναπτικής τους διαβίβασης Αν δύο νευρώνες είναι ενεργοί ταυτόχρονα, οι µεταξύ τους συνάψεις ενισχύονται Αποθήκευση πληροφοριών σε δίκτυα τροποποιηµένων συνάψεων 23

24 Η µνήµη είναι µια διαρκής διαδικασία επαναταξινόµησης, που προκύπτει από τις συνεχείς αλλαγές των νευρωνικών κυκλωµάτων και την παράλληλη επεξεργασία πληροφοριών. 24

25 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000 "signal transduction in the nervous system" Arvid Carlsson Paul Greengard Eric R. Kandel Sweden USA USA Göteborg University Göteborg, Sweden Rockefeller University New York, NY, USA Columbia University New York, NY, USA 25

26 Απλά Συστήµατα Ασπονδύλων µικρό νευρικό σύστηµα µεγάλοι νευρώνες αναγνωρίσιµοι νευρώνες αναγνωρίσιµα κυκλώµατα απλή γενετική Aplysia californica Αντανακλαστικό απόσυρσης του βραγχίου στην Aplysia Το αντανακλαστικό απόσυρσης του βραγχίου παράγεται σε νευρώνες στα κοιλιακά γάγγλια 26

27 Αντανακλαστικό απόσυρσης του βραγχίου στην Aplysia 27

28 Εθισµός του αντανακλαστικού απόσυρσης Επανειληµµένος ερεθισµός του σίφωνος προκαλεί εθισµόελάττωση της σύσπασης των µυών απόσυρσης του βραγχίου Ο εθισµός συµβαίνει στο επίπεδο της σύναψης µεταξύ αισθητικού και κινητικού νευρώνα Ο εθισµός συνοδεύεται µε καταστολή της συναπτικής διαβίβασης Ελάττωση της ποσότητας του νευροδιαβιβαστή (γλουταµινικό οξύ) που απελευθερώνεται από τον αισθητικό νευρώνα. 28

29 Ευαισθητοποίηση του αντανακλαστικού απόσυρσης νευρώνες διευκόλυνσης νευροδιαβιβαστής:σερετονίνη αύξηση του 2ου αγγελιοφόρου camp ενεργοποίηση πρωτεϊνικής κινάσης Α Φωσφορυλίωση & μείωση αγωγιμότητας των διαύλων Κ+ Αύξηση της διάρκειας ενεργοποίησης διαύλων Ca2+ ενίσχυση απελευθέρωσης διαβιβαστή από τους αισθητικούς νευρώνες 29

30 Διαδοχικός Εθισµός & Ευαισθητοποίηση του αντανακλαστικού της απόσυρσης πλαστικότητα των νευρωνικών κυκλωµάτων 30

31 Μεταβολές στους αισθητικούς νευρώνες που συνοδεύουν τη µακρόχρονη µνήµη για ευαισθητοποίηση ü Είσοδος της ΡΚΑ στον πυρήνα ü Φωσφορυλίωση-ενεργοποίηση µεταγραφικών παραγόντων: ενεργοποίηση γονιδίων σύνθεση πρωτεϊνών ü Δοµικές αλλαγές στη σύναψη: αύξηση του αριθµού των συναπτικών συνδέσεων αύξηση του µεγέθους των συνάψεων 31

32 Δοµικές αλλαγές των προσυναπτικών απολήξεων των αισθητικών νευρώνων στη µακρόχρονη µνήµη Μακρόχρονος Εθισµός: Περιορισµός των συναπτικών συνδέσεων Ελάττωση του αριθµού προσυναπτικών απολήξεων Ελάττωση του αριθµού των ενεργών ζωνών Πλαστικότητα Μακρόχρονη Ευαισθητοποίηση: Ø Διπλάσιος αριθµός προσυναπτικών απολήξεων Ø Αύξηση του αριθµού των ενεργών ζωνών Ø Αύξηση του αριθµού των δενδριτών 32

33 Μακρόχρονη Ενδυνάµωση στον Ιππόκαµπο (Long Term Potentiation - LTP) Κάποιες συγκεκριµένες συνάψεις υπόκεινται σε βελτίωση της αποτελεσµατικότητάς τους όταν χρησιµοποιούνται έντονα. 33

34 Οι νευρώνες του ιπποκάµπου έχουν δύο τύπους υποδοχέων γλουταµικού heps://2e.mindsmachine.com/av13.03.html 34

35 Η LTP στους νευρώνες του ιπποκάµπου Ενεργοποίηση CaM ΙΙ κινάσης Φωσφορυλλίωση ΑΜΡΑ υποδοχέων Σύνθεση ΑΜΡΑ υποδοχέων Αύξηση της αγωγιµότητας του νευρώνα heps://2e.mindsmachine.com/av13.03.html 35

36 Τα στάδια σηµατοδότησης στη µακρόχρονη ενδυνάµωση Συµµετοχή του µετασυναπτικού νευρώνα Αύξηση της απελευθέρωσης γλουταµινικού ΝΟ? 36

37 H µακρόχρονη LTP προκαλεί δοµικές αλλαγές στους νευρώνες 37

38 Η LTP χαρακτηρίζεται από ειδικότητα και συνέργεια 38

39 Μακρόχρονη Καταστολή στον Ιππόκαµπο (Long Term Depression) Διέγερση χαµηλής συχνότητας LTP LTD Πλαστικότητα 39

40 Νόσος Αλτζχάιµερ 60 80% των περιπτώσεων άνοιας σε ηλικιωµένους. 5 10% του πληθυσµού > 65, 45% του πληθυσµού > 85 Απώλεια προσοχής διαταραχή ενεργού µνήµης σοβαρές διαταραχές µνήµης: Ανοια Αφασία (απώλεια λεκτικών δεξιοτήτων) Απραξία (απώλεια κινητικών δεξιοτήτων) Σε τελικά στάδια, απώλεια κριτικής, λογικής και γνωστικής ικανότητας. Alois Alzheimer Auguste Deter Sketch of neurofibrillary tangles in the brain of pa9ent Auguste D., from the 1911 ar9cle by Alois Alzheimer 40

41 Κύρια παθολογικά ευρήµατα: Ø Διάχυτη ατροφία του εγκεφαλικού φλοιού διεύρυνση των κοιλιών Ø Ατροφία του ιπποκάµπου Ø Μικροσκοποικά ευρήµατα ü εναπόθεση Αβ αµυλοειδούς ü ενδονευρωνική εναπόθεση συσσωµατωµάτων της πρωτεΐνης tau 41

42 Παράγοντες κινδύνου στη νόσο Alzheimer 42

43 Γενικές Αρχές για τη Μνήµη και τη Μάθηση Ø Στον εγκέφαλο υπάρχουν πολλαπλά µνηµονικά συστήµατα Ø Βασικό χαρακτηριστικό της µνήµης είναι η αλλαγή της ισχύος επιλεγµένων συναπτικών συνδέσεων. Ø Η ενεργός µνήµη απαιτεί αλλαγές στα υπάρχοντα νευρωνικά κυκλώµατα, ενώ η µακρόχρονη µνήµη απαιτεί σύνθεση νέων πρωτεϊνών και ανάπτυξη συνάψεων Ø Οι αλλαγές αυτές µπορεί να αφορούν σε πολλαπλούς κυτταρικούς µηχανισµούς στο εσωτερικό µεµονωµένων νευρώνων Ø Τα συστήµατα δεύτερων µηνυµατοφόρων µορίων φαίνεται ότι παίζουν ρόλο στη δηµιουργία των κυτταρικών αυτών αλλαγών Ø Αλλαγές στις ιδιότητες των µεµβρανικών διαύλων συσχετίζονται συχνά µε τη µάθηση και τη µνήµη 43

44 Sherwood Κεφ. 5.7 Μάθηση και μνήμη σελ Vander (2 η έκδοση) Κεφ. 8.5 Μάθηση και μνήμη σελ Ganong s Ιατρική Φυσιολογία Κεφ. 16 Μάθηση, Μνήμη, Γλώσσα, Ομιλία Μάθηση και Μνήμη σελ

45 HHMI: Mapping the Brain and Memory Lectures Memories Are Made of This by Eric R. Kandel, MD hep://media.hhmi.org/hl/08lect4.html Εργ. Φυσιολογίας, Τμήμα Ιατρικής Π.Θ. 45