Viselkedésfarmakológia Kurzus. Tanulás és memória

Viselkedésfarmakológia Kurzus

Tanulás és memória Sipos Eszter PhD.

2016.

Áttekintés 1. Tudás/tanulás fajtái Öröklött (feltételes reflex, taxis, kinezis,magatartásmintázat) Szerzett tudás (nem asszociatív, fázisérzékeny, asszociatív és komplex tudás)

2. Memória elemi jelenségei és az engram szerveződési szintjei (szinapszis, sejtmag, dentrittüskék, neuronpopulációk, neuronhálózatok)

3. Memória fajtái Időtartam alapján (szenzoros tár, munkamemória, rövid, hosszútávú és kérgi reorganizáció)

Tudatosság alapján (deklaratív és nem deklaratív) Tanulás patológiája (DSM: neurokognitív és idegrendszeri fejlődési zavarok)

4. Tanulást vizsgáló állatkísérletes modellek


2. Memória elemi jelenségei és az engram szerveződési szintjei

(szinapszis, sejtmag, dentrittüskék, neuronpopulációk, neuronhálózatok) 3. Memória fajtái Időtartam alapján (szenzoros tár, munkamemória, rövid, hosszútávú és kérgi reorganizáció) Tudatosság alapján (deklaratív és nem deklaratív) Tanulás patológiája (DSM: neurokognitív és idegrendszeri fejlődési zavarok)


Tudás 1. Teoretikus tudás: Tudatos felismerésével szerzett információ. Emberi sajátság a teoretikus tudás, elsajátítása akár egyszeri példa alapján, következtetéssel, vagy tanulás során nyelvi kommunikációban. 1.

2. Képesség/ Adaptáció: Gyakorlás során tudattalanul alakul ki.

Az emberi és állati magatartás "behaviour" a szervezetet érő ingerekre adott válaszok összessége.

Veleszületett tudás: (genetikailag meghatározott DNS-ben átörökített ● ● ● ●

táplálkozás párosodás félelmet/szorongást kiváltó szituációk agresszió stb.

Szerzett tudás: ●

tanulás és memória

Veleszületett tudás Feltétlen reflex: Adekvát ingerre automatikusan bekövetkező válaszreakció ● Térdreflex ● Pupilla-reflex Taxis: a stimulus irányába vagy attól távolodó mozgásválasz ● ●

Kemotaxis: (szúnyog-CO2) Fototaxis: Planaria: (negatív fototaxis : Djsnap-25 gén +fotoreceptorok, de IR attraction)

Kinezis: az állat válasza arányos az adott inger erősségével, de független annak térbeli tulajdonságaitól Ortho-Klino kinézis a mozgás sebessége függ a stimulus erősségétől ● Orsóhal és Csótány fény- intenzívebb mozgás

Öröklött mozgásmintázat és vándorlás: ●

udvarlási rituáé

●

pók hálószövése (formaállandóság, megszakíthatatlan, nincs visszacsatolás a mozgás szabályozása és a környezet között

●

költöző magatartás (bálnák, lazacok, fecskék)

Szerzett Tudás Nem asszociatív tanulás:”begyakorlás”, procedurális emlékezet habituáció: A válasz csökken u.arra a stimulusra. Ha viszont az inger jellege, erőssége megváltozik, fellép az orientációs reakció, az inger hatása visszanyeri eredeti, habituació előtti jelentőségét (órakegyegés parfüm illata) NT mennyiség csökken, receptor deszenzitizálódik, internalizálódik szenzitizáció: ha az inger kellemetlen a válaszreakció nő, többszörösen megerősített inger nyomán más természetű ingerek is ugyanazon választ idezik elő (mosógép kattogása tönkremenetel előtt)

több NT, csökken receptor ingerküszöbe (PTSD)

Fázis érzékeny tanulás: imprinting - bevésődés: kritikus periódus, egyszeri találkozás, életbevágó információ (fajtárs, ragadozó, utódok) ● korai (Konrad Lorentz) -fészekrakó madarak. Erős motiváció (gyors, mert koncentrált) Eleje megszabott, inger hiányában vége kitolható, fehérjeszintézis gátlókkal gátolható, felejtés csak mesterségesen (Altbacker Vilmos) ● szexuális (Bereczkei Tamás) élőlények olyan párt választanak szaporodásukhoz, amelyek hasonlítanak az őket nevelő felnőttekhez (ember nevelte Panda emberhez vonzódott) ● Westermarck effektus /fordított szexuális imprinting (Israeli kibbutzimkollektív farm) 5-6 éves korukig együtt neveltek nem vonzódnak szexuálisan egymáshoz

Szerzett Tudás-Klasszikus kondícionálás Asszociatív tanulás: két vagy több inger társítása

Pavlov(Nobel díj 1904): Klasszikus kondícionálás (feltételes reflex): A feltétlen és feltételes inger időben összekapcsolódik (kontiguitás), illetve a feltételes inger alapján a feltétlen inger megjósolható. feltétlen inger + közömbös inger (kondícionáló inger) társítása a közömbös inger kiváltott feltételes válaszhoz vezet kondícionálás= ismételt társítás „szimpla” asszociáció kioltás: ha a feltételes ingert nem követi feltétlen inger, akkor a kialakult időleges kapcsolat megszűnik generalizáció: egy meghatározott ingerre kialakult feltételes választ az eredeti ingerhez hasonló, más ingerek is kiváltanak; az ingerek „általánosulnak” a válaszoló viselkedése szempontjából diszkrimináció: az eredetitől ingerekre különböző választ ad

eltérő

Szerzett Tudás-Operáns kondícionálás Thorndike (1905):„Law of effect”: Ha a véletlen magatartás jutalommal jár az

Puzzle box

megismétlődik, ha büntetést vált ki, akkor abbamarad. A magatartásunk következményeiből tanulunk. Skinner (1948): „Reinforcement” Az a viselkedés amit nem követ megerősítés idővel ritkul és végül teljesen eltűnik. megerősítés:

pozitív (étel, drog) negatív (áramütés pl a doboz egyik felében) büntetés (áramütés/nincs menekülés)

Tanulás

Delay discounting paradigma- impulzivitás ASX modell

Skinner box vagy Operáns kondícionáló doboz

1.2 Large reward preference (%)

0.8 0.6

*

0.4 0.2 0

0.8 0.6 0.4 0.2 0 120

80

100

5 60

Days

4

45

3

30

2

20

1

kioltás, generalizáció és diszkrimináció

*

1

10

Large reward preference (%)

1

Aliczki et al., Hormones and Behavior 66 (2014)

Szerzett Tudás-Kondícionált félelem Freezing % of total time

PTSD/trauma modell: aktív tanulás (NMDA, Ca-dependens AMPA függő akvizíció/extinció) 80 70 60 50 40

1. nap

%

3 mA elektromos sokk 10-szer ismételve 5 percen át *

30

*

+

* #

20 10 1

2

3 4 5 6 Days after trauma

7

28

freezing %

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5

Day1

Day2

Day3

● 1/28 nap vissza ● Különböző visszahelyezési paradigma különböző félelmi reakciót eredményez, rebound ● Spontán kioltódás- visszaesés (rebound) 28 nap

Felejtés – trauma

Tulogdi et al. 2012 Brain Res Bull. 88(4):359-70

28 napon kezdett kioltódás után nincs szignifikáns fear recovery/visszaesés az 56. napon)!!! Agyi területek aktiválódásával lehet összefüggés Félelem embernél inkább PFC- hez kötött, a rágcsálóknál inkább Amygdala és több alsóbbrendű terület!

Szerzett Tudás-Komplex tanulás 1. Latens/perceptuális tanulás- a tanulási folyamatot nem kíséri a viselkedés látható megváltozása, eredményessége későbbi időpontban nyilvánul meg. Nem elég az inger-válasz tanulás – mentális reprezentációt kell feltételezni! Tolman-féle labirintus teszt (kognitív térkép, motiváció étel vagy kiváncsiság) Az útvesztőkben a patkány nem az elfordulások sorrendjét tanulja meg, hanem térképet alakít ki a helyről. Minden folyosó végén ételt találhat. Az éhes patkány feladata megtalálni az élelmet anélkül, hogy visszatér a már korábban látogatott karokba. 2. Belátásos tanulás: (Köhler) cél-eszköz egységben való látása, a köztük lévő viszonylat felismerése ●

belátás (célorientált cselekvés)

●

elérhetőség (amit egyszer megtanultunk, mindig tudunk)

●

transzfer (amit az egyik szituációban megtanultunk, azt egy másik hasonló helyzetben képesek vagyunk újra alkalmazni)

3. Verbális tanulás (szóbeliséget jelent): kizálólag emberi, elvont, fogalmi gondolkodást igényelnek. A beszéd általi tanulás az egyik, csak emberre jellemző tanulási mód. 4. Szociális tanulás: szocializáció folyamata, társadalmi formáknak, társadalmi érték és normarendszer, megfelelő viselkedési formák elsajátítása (pl patkány playfight). Egész életen át tartó tanulási folyamat életkorilag jellemző feladatok összekapcsolunk dolgokat.

Szerzett Tudás-Komplex tanulás Szociális tanulás alapfolyamatai (Kelman írta le 1973-ban): Állatoknál is megfigyelhető: Utánzás: A szociális tanulás legelemibb formája. Egyszerű mozdulat, megfigyelés (ragadozók) Fontos szerepet játszik a jutalom és a büntetés ● “swaythling-i tejlopás” :Kanadai Cinege (Parus atracupillus fajtárstól utánzással tanult) (Lefebvre L. Behav Processes 1995) ● anyanyelv tanulása ● a gyermekek számára az utánzás révén kialakuló beleélés szinte egyedüli eszköze mások megértésének

“the milk mystery”

Csak emberre jellemző: Modellkövetés: Az utánzott cselekvés mellett az utánzott személy is fontos. Azonosulás/identifikáció::Szándékosan vagy spontán választott modelltől átvett viselkedés, a személyiség részévé válnak. A választott modellel való kapcsolat fenntartásán. (pl. kislány édesanyja cipőjét próbálja) Belsővé tétel/interiorizáció: A szociális tanulás legmagasabb szintje. Belsővé válik az adott dolog, külső kényszer nélkül is működik, függetlenedik a forrástól és beépül a személyiségbe. pl: rendszeretet, fasizmus stb.. A szociális tanulás formái nem különíthetőek el élesen egymástól. Egymásra épülve, együttesen alakítják és formálják személyiségünket.

Szerzett Tudás mechanizmusa Szerzett viselkedés: Az ingerekre adott válaszok az élőlény előéletétől függően változhatnak, egyes reakciók eltűnnek, mások felerősödnek, illetve új tanult reakciómódok alakulnak ki. Biokémiai reakciók/Baktérium is “tud tanulni” (Tagkopoulos, I., Liu, Y.-C. & Tavazoie, S. Science advanced online publication, doi:10.1126/science.1154456 (2008)) Magas hőmérsékletben anaerob a környezet (bélrendszer), szájban anticipációs viselkedést fejleszt ki (felkészül az anyagcsereváltozásra). A prediktív viselkedés igénylő vezérlést az egysejtű szervezetekben az idegrendszert biokémiai reakciók hálózata helyettesíti. Idegrendszeri plaszticitás: Az idegsejtek kapcsolódásainak rugalmas alakulásra való képessége. • Remapping: Az ujjak szétválasztása után az agyi reprezentáció is szétvált) • Kereszt-modális plaszticitás: Bach-y-Rita P et al. Nature 1969 Mar 8;221(5184):963-4.) A tapintás útján bekerülő jelek némi gyakorlást követően ténylegesen aktivitást váltanak ki a látókéregből! Összetett formát is képesek érzékelni: váza takarta telefon vagy feléjük dobott labda

Epigenetika: Aktív vagy inaktív gének expresszióváltozása, mely nem jár együtt DNS szekvencia változással. A DNS metiláció, Hiszton modifikáció vagy nem kódolt RNS (ncRNS) asszociált géncsendesítés indíthat el, vagy tarthat fenn epigenetikai változást (Egger et al 2004).

„Tasting the Light”


2. Memória elemi jelenségei és az engram szerveződési szintjei (szinapszis, sejtmag, dentrittüskék, neuronpopulációk, neuronhálózatok) 3. Memória fajtái

Időtartam alapján (szenzoros tár, munkamemória, rövid, hosszútávú és kérgi reorganizáció) Tudatosság alapján (deklaratív és nem deklaratív) Tanulás patológiája (DSM: neurokognitív és idegrendszeri fejlődési zavarok)


Memória elemi jelenségei Tanulás+emlékezés=magatartás Az emlékezés pedig a múltbeli tapasztalatok - tudatos vagy tudattalan - felidézésének képessége Richard Semon (1909-engram def.): Engram=memórianyom ● az engram az i.rendszerben bekövetkező maradandó változás ● Az engram a kódolás és az előhívás között nyugvó állapotban van ● ekfória törvénye: alvó engram előhívható “ a sikeres felidézéshez az eredeti epizód részleges újramegjelenése szükséges” ● Az engram tartalmát a kódolás során megértett és a többszörös előhívás során felidézhető információ határozza meg Karl Lashley (1929-patkánykísérlet): ● Agykérgi lézió- nem volt hatással a patkány labirintusban mutatott teljesítményére csak a tanulására- szerinte az engram az egész kéregben jelen van (mai tudásunk szerint: az engram elszórva helyezkedik el a kortex-ben. Hebb posztulátum(1949): ● Ha az A sejt axonja elég közel van a B sejthez, és ismétlõdõen vagy folyamatosan hozzájárul annak tüzeléséhez, akkor valamely, egyik vagy mindkét sejtre jellemzõ növekedési folyamat vagy metabolikus változás következményeként A sejt hatékonysága a B sejt tüzeléséhez való hozzájárulás szempontjából megnõ = szinaptikus megerősödés

Engram „életciklusa”:

(Josselyn et al (2015):16 Nature Reviews)

Tanulás/memorizálás folyamata Memória: A tanulás, a memória működése több részfolyamatból áll. Ezek sematikusan a következők:

acquisition /KÓDOLÁS Gyakorlás/elsajátítás (aktív magatartási szakasz) Engram keletkezése

RTM Orbitofrontális kéreg: reverberációs körök sérülékeny

örökre v. hosszabb-rövidebb időre

consolidation, m. encoding/TÁROLÁS Rögzülés- Bevésés (idegrendszeri szakasz) Végleges tárolás helyére szállítás Tárolás

HTM Hippocampuson keresztül szállítás plasztikus szinapszisok

Temporális lebeny: tárolás elszórt neuronokban/ n.hálózatokban

retrieval /ELŐHÍVÁS Előhívás- Felidézés (idegrendszeri/magatartási szakasz)

A memórianyom/ENGRAM szerveződési szintjei Szinapszis

Mi alakítja az engramot:

Sejtmag

1

1. Szinaptikus transzmisszió szintjén:a fehérjék P-ja 2. Sejtmag szinten: a transzkripciós és epigenetika szintű változások Dentrittüske

Neuronpopulációk

Memóriarendszerek

3. Dentrittüskék szintjén: a szinaptikus kapcsolatok megerősödése 4. A neuronpopuláció és hálózatok szintjén: a neuronok/agyterületek viszonya

Josselyn et al (2015):16 Nature Reviews

Szinapszis Elektrofiziológia változások Szinaptikus hatékonyságváltozás (lsd Hebb post) szinapszis erősödése (homoszinaptikus) facilitáció – rövid ideig tartó változás- Az egymást rövid időn belül követő preszinaptikus ingerületek egyre nagyobb posztszinaptikus potenciált (PSP) váltanak ki. potenciáció –hosszabb ideig tartó változás (poszttetanikus potenciáció – nagy frekvenciájú, tartós sorozatingerlést követően (LTP). Preszinaptikus ingerlés először a PSP csökkenését, majd növekedését idézi elő. szinapszis gyengülése (heteroszinaptikus) depresszió –alacsony frekvenciájú elektromos ingerlés. (Hosszú idejű sz. gyengülés –LTD)

LTP jellemői Specificitás (input specifikus): Csak aktív szinapszisnál van változás, más szinapszisra nem terjed át. Asszociativitás: Egy gyenge stimulus nem vált ki önmagában LTP-t, ha egyidejűleg ugyanazon a sejten egy másik szinapszis erős stimulust kap, mindkét szinapszis megerősödik. Cooperativitás: LTP kiváltható egy erős, tetanikus vagy több gyengébb stimulációval is. Perzisztencia: LTP-t tartós (percek- hónap) fennmaradás jellemzi és különbözteti meg a többi szinaptikus plaszticitástól.

http://www.jneurosci.org/content/29/36/11153.full

Szinapszis Biokémiai változások Biokémiai reakciósor hozza létre az elemi memóriát (Erik Kandel és mtsai, 2000) Nobel díj)- A szinaptikus transzmisszió során fehérjék foszforilációja történik.

Elemi memória: Habituáció/ Szenzitizáció

Kopoltyúív összehúzási reflex (monoszinaptikus ÉN-MN):RTM lehet belőle HTM FN-ból NT (Ser)→ G feh. köt ami az adenilát-ciklázt aktiválja → cAMP keletkezik → PKAt aktivál → K+-csatornát P, mely részlegesen bezáródik. A Ca2+ csatornája tovább nyitva → több Ca2+ → több NT áramlik az MN felé → tartósabb a kopoltyúizom összehúzódás emléknyom: K+ csatorna foszforiláltsága RTM: meglévő fehérjekészlet módosítása (foszforiláció/defoszforiláció) felszaporodása HTM: sokszor ismételve, közbeiktatott pihenőkkel új fehérje is kell, magi PKA foszforililája a CREB feh.-t-új feh. létrejötte, fehérjeszintézis gátlókkal megakadályozható – pl. tartósan aktív CREB (cAMP response element-binding protein )

Szinapszis Biokémiai változások Tanulási teszt Ecetmuslicákon (S. Benzer):

Tanító kamra: A szaghoz enyhe áramütést társít ; 1000 mutáns→1 nem tanul Dunce (buta) génmutáns törzs: II típusú cAMP-foszfodiészteráz (PDEII) hiány →magas cAMP →lassan tanul Rutabaga génmutáns törzs: adenilát cikláz probléma

Drosophila melanogaster

A: kellemetlen inger+szag

→alacsony cAMP → még rosszabbul tanul

» » cAMP anyagcsere dinamikája B: szag

cAMP gyors dinamikája kell a tanuláshoz/ fehérjék foszforilálódásához CREB-szerű fehérje homológját túltermeltetve- zsenik! 10 ciklus helyett 1 alatt tanul »» törzsfejlődés során nem feltétlen a legjobb maradt fenn, lehet jobbat csinálni!!!!

Neurotranszmitterek Glutamát LTP GABA gátolják a memórianyomok kialakulását (GABAA-R; GABAB-R) Monoaminok serkentik a memória kialakulását dopamin: jutalom (N. Accumbens) noradrenalin: szelektív figyelem (PFC) szerotonin: motiváció (M. Raphe) Opiátok gátolják a memória kialakulását; csökkentik a motivációt Acetilkolin a memória egyik fő kialakítója (Hippocampus)(scopolaminnal gátolható) (n/mAChR) (Striatum) Acetilkolin hatása a kérgi dinamikára:szenzoros stimulusra kortikális köröket hoz létre A magas acetilkolin: felerősíti a kortexbe érkező szenzoros jel nagyságát (nikotin receptoron keresztül), ugyanakkor gátolja a kérgi visszacsatolás mértékét (muszkarinerg receptoron át) Az alacsony acetilkolin (AD) gyengébb hatással bír a bejövő jelre, ugyanakkor hatása erős excitatórikus visszacsatolást eredményez

(Hasselmo, 2006 Curr Opin Neurobiol)

Szinapszis/Dentrittüske sűrűség Elektrofiziológia változások Nagy frekv. stimulus Mg2+blokk megszűnik

Retr. hírvívő felszab. Érzékeny lesz Glu-ra Preszin. Glu felszab.

A memóriatartalmak a tárolás időpontja szempontjából:

RTM HTM

retrográd hírvivők megnövelik Glu felszabadulást hatékonyabb szinapszis (Glu nagyobb valószínűséggel vált ki AP-t) fehérje szintézis új receptorok (Ca-permeábilis AMPA), új szinapszisok

Dentrittüske sűrűség Elektrofiziológia változások

Hebb és Konorski: IR plaszticitást ismételt stimulusok asszociációi indukálnak, melyet a már meglévő szinaptikus kapcsolatot funkcionális kapcsolatokká alakulása/morfológiai megváltozása eredményez. Szinapszisok stabilizálódása/ dentritüske morfogenezis: -néhány óra alatt bekövetkezik -többszörös kapcsolat alakul ki a preszinatikus boutonnal - Eredménye a szinaptikus plaszticitás, memória kialakulás, LTP indukció -NMDAR: morfogenezist indukál (NMDAR gátló -nincs strukt. változás) -AMPAR: struktúrális stabilitást biztosít -actin: ex.cell. stim. aktin polimerizációt indukál (AMPAR gátlóval gátolható-AMPAR kontroll) -adhéziós mol.: stabilizálja a pre- és posztszinaptikus elemeket (GluR és Citoszk. kontroll) A molekulák irányított aktivitása (GluR és citoszkeleton kontroll alatt) a szinaptikus hatékonyság stabilitását eredményezi a memória konszolidáció alatt. Lamprecht et al (2004):5 Nature Reviews)

Sejtmag Epigenetikai változások Neuroepigenetika (NEG) •

Az evolúció távlatából „rövid” távú” alkalmazkodás (HTM) epigenetikai mechanizmusokkal valósul meg.

•

Nem a genom szekvencián alapuló (részben) öröklődő DNS feletti változások.

•

Dinamikus és aktivitás indukált változás a felnőtt IR-ben

•

Epigenetiai folyamatok főbb típusai: DNS metiláció, kromatin újrarendeződés, hiszton módosulás és nem-kódoló RNS szekvenciák (in)aktivációja.

•

Epigenetikai változások gyakran alkalmazott biomarkerei az EG-i folyamatokért felelős enzimek: DNS metilációért felelős DNMT3a/b, vagy a heterokomatin kialakulásában alapvető szerepet játszó H3K9)

•

Molekuláris szinten a tanulás és memória kialakulásáért intracell. szignálkaszkád folyamatok felelősek, melyek a fehérjék szintézisét és a gének aktivitását szabályozzák.

•

Hiszton kód teória: A kromatin módosulások, különösen a hiszton acetiláció és DNS metiláció mértéke korrelál a hosszú távú memória konszolidációjával. Modulálja a tanulásért felelős gének stimulusfüggő aktivációját a memória kialakításáért felelős sejthálózatokban.

•

Kromatin módosító enzimek tehát dinamikusan és kétirányúan szabályozzák az eseményre adott választ (pl. neuronális aktivitás) így befolyásolva a tanulás folyamatát.

Sejtmag Epigenetikai változások Az EG-i módosulások: •

aktívan és szelektíven indukálhatók speciális szignálkaszkádok által meghatározott géneken egyes sejtekben és agyrégiókban amelyek bizonyos típusú memória kialakulásáért felelősek.

•

ezen alapszik számos HC-függő tanulás (MWM, NOR, Cond.fear). Általánosan igaz, hogy ezek a feladatok növelik az eukromatinhoz kapcsolódó posztranszlációs hisztonmódosulások számát és pozitívan szabályozzák a génexpressziót.

•

Körny. ingerek hatására kaszkádfolyamat indul be, mely epigenetikai módosuláshoz vezet. Ez a szabályozó folyamat befolyásolja az LTP kialalakulást, dentrittüskék sűrűségét, sejt. excitab. stb.

•

Heterokromatin erősen zárt állapot, ami gátolja a transzkripciót/ a memória kialakulását.

•

Eukromatin asszociált módosulások növelik a transzkripciót/indukáltják a memória kialakulását

Euchromatin - Active Transcription

(Zovkic Learn Mem. (2013 )20(2): 61–74.)

Neuronok/populációk Elektrofiziológia

O’Keefe és Dostrovsky (1971): Térbeli memória: „place (HC/EC)

sejtek”

Ezek a piramissejtek akkor kerülnek aktív állapotba, amikor a patkány a tér egy adott pontjára ér. Amikor az állatot másik környezetbe helyezték a korábban aktív sejtek szinte teljesen elhallgattak. Nem egy sejt aktiválódik, hanem azok meghatározott populációja A sejtek tüzelési mintázata az állat térbeli helyzetével korrelál.

Firing rating map

Neuronok/populációk Magatartásvizsgálatok (optogenetika) Optogenetika lehetővé teszi hogy neuronokat/populációkat szelektíven vizsgáljunk: Kondícionált félelemben a kontextuális memória kialakulásért a GD granuláris sejtei felelősek. (neuronok 2-4% mutat c-fos aktivitást a tesztdobozba visszahelyezve).

1. nap

3 mA elektromos sokk 10-szer ismételve 5 percen át

GD c-fos-tTA egerekbe (Cre/loxP system and temporal control): csak az érintett neuronok mutatnak c-fos aktivitást adott környezetbe helyezve tTA -tetracyclin transactivator-(tetracyclin) doxicycline hiányában gépexpresszió! AAV9-TRE-ChR2-EYFP- víruskonstrukt TRE- tetracycline response element ChR2-channelrodopsin-fény indukált ioncsat. EYFP-yellow fluorescent protein Optikai szálon keresztül kék lézer 473nm ChR2 expresszió Doxicyclin és neuronális függő. ChR2 kifejeződés csak Dox jelenlétében, így a Dox diéta megvonása alatt a memória létrejöttéért felelős neuronok megjelelölhetők.

Liu et al (2012) Nature 484 (381-5)

Neuronok/populációk Magatartásvizsgálatok (optogenetika) 1. A neuronpopuláció szintjén: a neuronok viszonya határozza meg az engramot ZIF268 -tTA egerek:Láthatóvá tesz minden, a kontextusban aktiválódott neuront

Gyrus Dentatus-ba ültett optikai szálon keresztül a GD AAV9-TRE-ChR2-EYFP víruskonstrukot felvett neuronokat aktiválják (sárga vagy zöld lézzerre): A kondícionált félelmi reakció során korábban aktiválódott neuronok (laterális amygdalában, kortexben, gyrus dentatusban) a kontextusba visszahelyezve és a GD-t megvilágítva újból (de)aktiválódnak

Josselyn et al (2015):16 Nature Reviews

Neuronok/populációk Magatartásvizsgálatok(DREADD)

DREADD-et (G-fehérje kapcsolt receptor) AAV víruskonstrukttal juttatjuk a sejtbe. CNO DREADD specifikus szubsztrátja, nincs jelen a szervezetben, innert (önmagába adva nincs hatása )

clozapine-N-oxide (CNO) designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs)

A kísérlet menete: 1) Idegsejtek egy populációjában (Amygdala) designer receptort fejeztetünk ki (DREADD) 2) CNO-val aktiváljuk a DREADD-et kifejező sejteket 3) Az állatot beletesszük egy adott környezetbe, ahol engram kialakítása történik 3) A depolarizált sejtpopuláció fog beépülni az engramba 4) A későbbiek folyamán az engram vizsgálható (serkenthető, gátolható) Josselyn et al (2015):16 Nature Reviews

Neuronhálózat Hologram- dejà vu A hologram minden része tartalmazza a teljes kép előállításához szükséges összes információt. Minél kisebb részből próbáljuk meg előállítani az egészet, annál „homályosabb” képet kapunk. Sno szerint az emberi memória is így működik. (Sno és Linszen, 1990, Am J Physiol)

Az agy információhordozói a neuronok, illetve a neuronális hálózatok. A neuronok mellett a hálóban a másik legfontosabb komponens a szinapszis. A hálózat egymással összekapcsolt szuperhálózata a nagyskálájú agyi hálózat. Ha a neuronhálózat néhány sejtje, szinapszisa kiesik, nem történik semmi, mert a többi épen maradt neuron és a közöttük lévő szinapszis, csak úgy, mint a darabokra tört hologram, ellátja a feladatát. Képalkotó, statisztikai és matematikai (gráfelmélet) eljárások alkalmasak a hálózatelemzésre.

Déjà vu vagy paramnézia Az agyunk egy emléktöredékből egy egész „emléket” rak össze és ez a „már láttam/átéltem” érzését okozza. déjà vu élményének későbbi felidézésekor maga az érzés meglehetősen pontosan körülírható, ugyanakkor annak felidézése, hogy milyen valós körülmények váltották ki az érzést, ugyanolyan bizonytalan, mint maga a képzeletbeli, "már átélt" szituáció.

Az egész több, mint a részek összege, minőségi változás! Hálózatok.






(képi info) Echoikus (hallási) Haptikus (tapintási)

Memória fajtái tudatosság alapján Deklaratív memória típikusan a felismerő memória Rövidtávú (percek-órák) Középtávú(8-12h) Hosszútávú(18h-napok) Hosszan tartó (7napnál tovább)

Szenzoros asszociatív kérgi ter.

Motoros asszociatív kérgi ter.

Funkció, jelentés

Motoros asszoc.

Limbikus kérgi terület Affektív asszoc.

Hippocampus

Hippocampus lézió epilepsziásoknál: •

Szubkortikális területek (Talamusz, szeptum Hipotalamusz, agytörzs)

• • •

A műtétet követően perceptuális és intellektuális képességek épek Képtelen új emlékek kialakítására (anterográd amnézia és régi emlékek felidézésére Az információ rövid fejben tartása nem okoz gondot Képes új készségek elsajátítására (pl tükörrajzolási feladat)

Memória fajtái tudatosság alapján

Érzékelés

Érintett szenzoros modalitások agykérgi területei: kereszt modális plaszticitás, terület kiterjedése

Patológia Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders (DSM) Miért van szükség az osztályozási rendszerre? kezelés hatékonysága növelhető, diagnózis, modellalkotás pontosabb DSM-V. 3 nagy osztályba sorolja a neurokognitív rendellenességeket (Neurocognitive disorders (DSMV.) vagy dementia (DSM-IV:) : Delirium: figyelmi vagy/és tudatzavar Mild: Enyhe kognitív károsodás egy v. több kognitív funkcióban, mely nem akadályozza az önálló életvitelt. Major: Szignifikáns mértékű kognitív zavar egy v. több kognitív funkcióban és az önálló életvitel akadályozottsága. A neurokognitív zavarok elkülönítése etiológiai szempontok szerint: • Alzheimer kór • Frontotemporális lebeny károsodás • HIV fertőzés • Huntington kór • Lewy testes demencia • Parkinson kór • Prion betegség • Traumás agysérülés • Vaszkuláris demencia • Gyógyszer vagy hatóanyag használat • Egyéb orvosi vagy etiológiai okok Sachdev et al. Nature Rev. Neurol. ( 2014) (11):634-42.

Patológia Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders (DSM)

•

Traumás agysérülés (pl. újszülöttkori agysérülés)

•

Motoros funkciók zavara

•

Genetikai betegséges

•

Shizophrenia vagy shizotipikus rendellenesség

•

HIV

•

Malária

•

Más idegrendszeri fejlődési rendellenességek

Amnézia Az emlékezeti funkciók kisebb vagy nagyobb mértékű, átmeneti vagy tartós sérülése. • • • •

Etiológiai megközelítés: betegség és/vagy agysérülés következtében Lokalizációs megközelítés: az agysérülés helye alapján Funkcionális megközelítés : bizonyos emlékezeti funkciók nem működnek Pszichogén amnézia: trauma kiváltott felejtés

Oka: • agysérülés, stroke • poszttraumás amnézia- disszociatív amnézia (stresszes helyzetek felidézésének zavara) • depresszió, stressz (glucocorticoidok- hippocampus) • agyi oxigén hiány • elektrokonvulzív terápia • gyógyszerek (antidepresszánsok, antihisztaminok, szorongásoldók, izomrelaxánsok, nyugtatók, altatók, fájdalomcsillapítók)

• • • •

alkohol, dohányzás, drogok Alvásmegvonás Tápanyaghiány dementia

Általában a procedurális memória és a hosszútávú emlékek jobban megtartottak, mint deklaratív emlékek és rövid távú memória. Javulás esetén is régi emlékek térnek először vissza.

Stimulálószerek szerepe a memóriarögzítésben Fekete csokoládé, tea, bor – flavonoidok stimuláló hatása Maximálisan elérhető stimuláló hatás: 10g/nap csokoládé 75-100ml/nap bor, tea

(Nurk és mtsai, 2009, J Nutr)

Alvás és memória: az alvás hozzájárul a deklaratív memória (események tények) konszolidációjához

(Oudiette és mtsai, 2013 J Neurosci)






Tanulás/memorizálás vizsgálata

START

I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Y-labirintus tesz Tárgyfelismerés (object recognition) Szociális memória (social discrimination) II. Jutalommal/büntetéssel járó tesztek Egyszerű asszociációk vonzáson (“jutalmon”) alapuló tesztek labirintus-tesztek (radiál és T-maze) operáns kondícionálás - Skinner box szag-kondícionálás helypreferencia (CPP) - morfin taszításon (“büntetésen”) alapuló tesztek passzív választ igénylő tesztek elkerülési tesztek (passive avoidance) aktív választ igénylő tesztek (klasszikus kondícionálás) shuttle box, rúdra való ugratás, íz-averzió szag-averzió, hely-averzió Komplex relációk vonzáson (“jutalmon”) alapuló tesztek hole board teszt (motiváló faktor cukorpellet) komplex labirintustesztek büntetésen alapuló tesztek vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése)

CÉL

*

*

*

* *

Tanulás/memorizálás vizsgálata I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Y-labirintus tesz Tárgyfelismerés (object recognition) Szociális memória (social discrimination) II. Jutalommal/büntetéssel járó tesztek Egyszerű asszociációk vonzáson (“jutalmon”) alapuló tesztek labirintus-tesztek (radiál és T-maze) operáns kondícionálás - Skinner box szag-kondícionálás helypreferencia (CPP) - morfin taszításon (“büntetésen”) alapuló tesztek passzív választ igénylő tesztek elkerülési tesztek (passive avoidance) aktív választ igénylő tesztek (klasszikus kondícionálás) shuttle box, rúdra való ugratás, íz-averzió szag-averzió, hely-averzió Komplex relációk vonzáson (“jutalmon”) alapuló tesztek hole board teszt (motiváló faktor cukorpellet) komplex labirintustesztek büntetésen alapuló tesztek vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése)

Tanulás vizsgálata állatmodelleken 1. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek

Y-maze teszt

Tesztidő: 8 min Alterálási %= alterálás/karba lépés száma-2

Spontán alterálás az új környezetbe

patkány

helyezett

felfedező

magatartásán alapszik. A rágcsáló jellemzően

új,

még

ismeretlen

helyeket ( karokat) látogat, a régi karokba való gyakoribb visszatérés a munkamemória deficitjét jelenti. A feladat

végrehajtásában

nagy

szerepet játszik a preforntális kéreg, bazális

előagy,

hippocampus.

septum

és

1db alterálás pl: CBA v ABC v ACB

Tanulás vizsgálata állatmodelleken I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek

Tárgyfelismerés teszt Spontán helyezett

exploráció

az

új

környezetbe

patkány felfedező magatartásán

alapszik. A rágcsáló jellemzően új, még

ismeretlen tárgyakat szagolgat. A feladat a visszahívás idejétől függően tesztel rövidvagy hosszútávú memóriát. Inferotemporal

kortex

szerepe

a

feladat

végrehajtásában Retenciós idő 30min-48h Tanulás és visszahívás 4-5min Diszkriminációs index (DI)=(új-régi)/(új+régi)

Tanulás vizsgálata állatmodelleken Szociális diszkrimináció

Visszahívás/teszt

J M

J

Retenció/ visszahívás Xh

J M *

4 4 min min MINDIG juvenilis (21-45 nap) állatot használnak (Nincs agresszív interakció)

A memóriakódolás és előhívás között eltelt idő függvényében vizsgálható rövid/közép és hosszú távú memória a teszt segítségével. A teszt 3 részből áll az arénához habituálást követően: tanulás/mintavételezés (4-10min) retenciós intervallum (10min-72h) visszahívás (4-10 min) Engelmann et al., Nature Protocols (2011) 6, 1152–1162

Mice

70 60

*

*

50

*

40 30 20 10 0 0.5 h

Investigation duration (sec)

Tanulás

Investigation duration (sec)

I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek

2h

24 h

Rats

70 60

*

50 40 30 20

10 0 0.5 h

2h

24 h

RI

Tanulás vizsgálata állatmodelleken Szociális diszkrimináció A szociális kommunikáció során alkalmazott szagmintavételen alapul a teszt Az egerek a patkányokkal ellentétben képesek elkülöníteni a különböző juvenilis állatok szagmintáit

Alkalmazhatóság: Az egereknél a stimulusállattal történő fizikai kapcsolat agresszív viselkedéshez vezethet, így a szociális memória ebben a paradigmában jobban alkalmazható.

Volatile fraction cage

sampling Fraction of the Olfactory signature

M

volatile J 1

non-volatile

Short-term

Memory retention

choice M J 1

J 2

Long-term Engelmann et al., Nature Protocols 6, 1152–1162 (2011)


Helypreferencia doboz

Passzív elkerülés doboz

Tanulás/memorizálás vizsgálata

Footshock: 0,3mA 5sec

**

Number of EP

Number of CAR

shuttle-box

days

days

Félelem motivált asszociatív aktív elkerülés, ahol megtanulja az állat egy semleges stimulus (fény) segítségével előre jelezni és elkerülni az averzív esemény bekövetkezését.

Jelzés és a sokk között nyílik a kapu, ha tudja h a jel az áramot jelenti akkor átmegy. A fény mindig abban a kamrában kapcsol ahol az állatot infravörös detektor érzékeli. CAR - conditioned avoidance response; EF -escape failure


Tanulás/memorizálás vizsgálata Hole board test: Hippocampus függő memória teszt

térbeli

Motiváció: cukorpellet (nincs éheztetés) Feladat/memória kódolás: 1. Megtanulni hogy keresni kell a pelletet 2. Megtanulni hogy csak bizonyos lyukakban van pellet 3. Referencia memória teszt: a kondícionált helytől eltérő a pelletek helyzete Összes pellet megtalálásához szükséges idő (max. 5 min)

Tanulás/memorizálás vizsgálata I. Felderítési (explorációs) magatartáson alapuló tesztek Y-labirintus tesz tárgy felismerés (object recognition) szociális memória (social discrimination) II. Jutalommal/büntetéssel járó tesztek Egyszerű asszociációk vonzáson (“jutalmon”) alapuló tesztek labirintus-tesztek (radiál és T-maze) operáns kondícionálás - Skinner box szag-kondícionálás helypreferencia (CPP) - morfin taszításon (“büntetésen”) alapuló tesztek passzív választ igénylő tesztek elkerülési tesztek (passive avoidance) aktív választ igénylő tesztek (klasszikus kondícionálás) shuttle box, rúdra való ugratás, íz-averzió szag-averzió, hely-averzió III. Komplex relációk vonzáson (“jutalmon”) alapuló tesztek hole board teszt (motiváló faktor cukorpellet) komplex labirintustesztek büntetésen alapuló tesztek vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése)

Tanulás/memorizálás vizsgálata Morris-féle vizilabirintus (motiváló faktor: kellemetlenség elkerülése) Hippocampusfüggő térbeli memória teszt Feladat: víz alatti platform megtalálása (memória kódolás) 5 nap napi 4 próba, 1,5 perc látható platformmal Probe teszt- 1nap nincs platform Referencia memória teszt-3-szor 4 próba, a kondícionált helytől eltérő a platform lokalizációja Különböző stratégiát alkalmazva talál rá a platformra pl: • mozgásmintázat • térbeli referencia pontok (cue) Tanulás: Kognitív térképet alakít ki

(Pan és mtsai, 2010, Horm Behav)

Tanulás/memorizálás vizsgálata Spatial delayed matching-to-place task (DMP) 1. Platform keresés megtanulása (felszín feletti zászlóval (~3nap) 2. Minden nap új helyen a platform, napon belül ugyanott 4 próba/nap. Az 1-2 próba között eltelt idő változik ~12 nap NR2B antagonista (RO-25 és Ifenprodil) CA1 régióban injektálva: • Nem hat a rövid távú térbeli tanulásra de a hosszú távúra igen (nincs hatással a 30sec a tanulásra de a 10 perces késésnél szignifikánsan romlott a tanulás) • Nem befolyásolja sem a motivációt, sem a motoros képességeket. CA3-NR1 knockout egerek- Sérül az új térbeli információ gyors kódolása (Nakagazawa et al. 2004)

Zhang et al. Molecular Brain 2013, 6:13

Köszönöm a figyelmet!

Viselkedésfarmakológia Kurzus. Tanulás és memória

Recommend Documents