Tanulás és memória A tanulás és a memória formái, agyi lokalizációjuk és celluláris mechanizmusok
Pszichofiziológia 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 A tanulás és a memória többféle lehet… • Időben: o James (1890): „elsődleges” és „másodlagos” memória
Rövidtávú (STM) és hosszútávú (LTM) o Emlékezés a „jövőre” (tervezés: mit kell tennem holnap?)
• Jellegében: o Emlékek o Ismeretek o Tapasztalatok o Képességek
o Felismerés
A memóriaformák különbségének leghíresebb szemléltetője: patient (Henry G. Molaison)
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. 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
H.M. memóriája Intakt képességek •
Rövid távon képes megjegyezni
Sérült képességek •
számokat, szavakat, arcokat •
•
1 évre vonatkozóan
Többnyire jól emlékszik olyan
•
Súlyos anterográd amnézia
eseményekre, melyek a műtét előtt
•
Hosszabb idő után, vagy más feladattal
történtek
való megszakítás után már nem tudja
Korábban tanult tényeket, ismereteket
felidézni a tanult számokat, szavakat
fel tudja idézni (név, foglalkozás,
•
személyek, lakóhely) •
Tökéletes nyelvi képességek, szókincs, szóhasználat megfelelő
•
Motoros készségek elsajátítására képes, egyszerű tanulás intakt (kondícionálás, priming)
•
Enyhe retrográd amnézia a műtét előtti
IQ normális
Nem tud új információkat elsajátítani (pl. személyek: Milner mindig új volt)
•
Súlyos térbeli orientációs probléma (új lakóhelyére nem talál haza)
Az explicit és az implicit memória H.M. tünetei két alapvető memóriarendszer elkülönítését támasztják alá
• MI? • Szavakban fejeződik ki • H.M. sérült
• HOGYAN? • Teljesítményben fejeződik ki • H.M. intakt
Hosszútávú memória
Deklaratív (explicit)
Nemdeklaratív (implicit)
Ismeretek, tények
Szemantikus memória Objektív tények, ismeretek
Készségek, szabályok, viselkedés
Epizódikus memória
Procedurális
Nemasszociatív
Asszociatív
Események, szubjektív emlékek
Készségek és szokások
Habituáció, szenzitizáció
Kondícionálás, stimulus és/vagy válasz kapcsolata
Priming 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
Asszociatív tanulás
• Habituáció
• Klasszikus kondícionálás
• Szenzitizáció
• 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
Nem-asszociatív tanulási formák SZENZITIZÁCIÓ
HABITUÁCIÓ Ismétlődő ártalmatlan inger
https://danohtanwang.word press.com/research/
Wan et al, Nat Neurosci, 2012
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
Anderson J, 1995
Jellemzők, meghatározók tényezők: • 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
• HOGYAN? • Teljesítményben fejeződik ki • H.M. intakt
Hosszútávú memória
Deklaratív (explicit)
Nemdeklaratív (implicit)
Ismeretek, tények
Szemantikus memória Objektív tények, ismeretek
Készségek, szabályok, viselkedés
Epizódikus memória
Procedurális
Nemasszociatív
Asszociatív
Események, szubjektív emlékek
Készségek és szokások
Habituáció, szenzitizáció
Kondícionálás, stimulus és/vagy válasz kapcsolata
Priming 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”
Az explicit memória tárolása • H.M. beteg (MTL lézió) tünetei: anterográd amnézia, régi emlékek előhívása és STM ép • N.A. beteg (köztiagyi lézió) tünetei: szintén anterográd amnézia • Asszociációs kérgi sérülések: szemantikus memóriavesztés (retrográd), kódolás ép A memória több lépéses funkció, bármelyik lépésnél elrontható MTL átmeneti állomás, tárolás neocortexben Több agyterület kooperációja
A memóriaműködések (min.) 4 elkülöníthető folyamata: • Kódolás: új infó feldolgozása, előkészítése az idegrendszer által tárolható formába. Figyelem, motiváció, asszociációk szerepe. • Konszolidáció: rövidtávú, labilis emléknyom stabilizálása, függetlenítés a sejtaktivitástól. Tartós változások (fehérjék, struktúra). • Tárolás: az emléknyom helye, reprezentáció módja. Szinte végtelen kapacitás (<-> STM) • Előhívás: különböző helyeken tárolt infók integrálása, visszaalakítás sejtaktivitási mintázatokba. Függ STM-től, torzulhat (~percepció)
Az explicit memória lépései Rövidtávú memória (STM) A. Baddeley modellje
STM szerepe:
• „Munkamemória”, rövidtávú tárolás és felhasználás • Ideiglenes tárolás hosszútávú konszolidáció előtt
Központi végrehajtó
• Hosszútávú memória előhívása
Goldman-Rakic: a munkamemória helye a PFC Br. A46
Fonológiai hurok
Téri-vizuális vázlattömb
Epizódikus puffer
Ismétlő („reverberáló”) körök (Hebb), pufferek
Az explicit memória az agyban Memóriafolyamatok – agyterületek Gyrus dentatus Uni- és polimodális asszociációs területek
Parahippocampalis kéreg
Entorhinális kéreg
Perirhinalis kéreg
Entorhinális kéreg szerepe: Hippocampus CA3 • Hippocampus fő inputja Hippocampus • Hippocampus fő outputja CA1 Hipp. és assz. ctx infóinak konvergálása Subiculum
Front., par., temp. neocortex
Kezdeti feldolgozás és tárolás is neocortex
Sérülése: súlyos, multimodális deficit
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)
A plaszticitás formái Transzmitter ürülés változása
Modulátoros interneuronok
Új szinapszisok
Szinaptikus átrendeződés
Az explicit memória sejtes modellje A hippokampális LTP Gyrus dentatus Uni- és polimodális asszociációs területek
Parahippocampalis kéreg Perirhinalis kéreg
Entorhinális kéreg
Hippocampus CA3 Hippocampus CA1 Subiculum
• 1 ingerlés EPSP • Tetanikus ingerlés (~100Hz) tartósan EPSP (nap-hetek) az egyes ingerekre
LTP: hosszú-távú potenciáció
• Perforáns pálya (ENTDG): asszociatív LTP • Moharostok (DGCA3): nem-asszociatív LTP (preszin. facilitáció (NAdr), nem NMDA-függő) • Schaffer-kollaterális (CA3CA1): asszociatív LTP (több sejt tüzelése kell: NMDA rec. koincidencia detektor
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
Az LTP késői szakasza
• Korai LTP: 1 tetanuszos sorozat • Kései LTP: 4< tetanuszos sorozat, 10 perc szünettel (spaced)
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 tanulás • Tájékozódási pontok alapján („extramaze cues”, allocentrikus tájékozódás)
• Folyamatosan rövidül a platform megtalálásához szükséges idő • Léziókkal elrontható
LTP, helysejtek, térbeli memória LTP kialakulásának gátlása:
Fiziológiás LTP (1-10Hz, théta) nem alakul ki
• NMDA antagonisták (pl. MK-801) • NMDA R1 gén knock-out mutáns
• Ca2+/calmodulin-függő kináz mutáns (folyamatos aktiváció) 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!
