Apprendimento e memoria Cosa vuol dire apprendere?
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Apprendimento e memoria • Meccanismi neuronali e molecolari dell’apprendimento – Plasticità sinaptica – Potenziamento a lungo termine • Come il cervello apprende nuove abilità ed informazioni? – Casi neuropsicologici – Esperimenti su animali • Esiste una regione o un sistema cerebrale selettivamente dedicato alla memoria e all’apprendimento? – Sì, ma solo per l’immagazzinamento di nuovi ricordi episodici – In generale, l’apprendimento è una funzione integrata in altre funzioni cognitive Cosa vuol dire apprendere? L’apprendimento è il processo mediante il quale le esperienze modificano il nostro comportamento attraverso un cambiamento delle strutture del sistema nervoso implicate in percezione, azione, pensiero e pianificazione. azione e movimento percezione pensiero e pianificazione 1 Forme classiche di apprendimento • Apprendimento non associativo – Abituazione – Sensibilizzazione • Apprendimento associativo – Condizionamento classico – Condizionamento operante Apprendimento non associativo • Abituazione: – Risposta riflessa ridotta, o annullata, ad uno stimolo che si è dimostrato non nocivo – Comporta una depressione presinaptica della trasmissione degli impulsi – Può essere a breve o a lungo termine • Sensibilizzazione: – Risposta riflessa amplificata ad uno stimolo nocivo, ma anche non nocivo – Comporta una facilitazione presinaptica della trasmissione degli impulsi – Può essere a breve o a lungo termine 2 Un allenamento effettuato ad intervalli risulta più efficace che non un allenamento intensivo nel determinare la persistenza della traccia di memoria a lungo termine 4 tipi di apprendimento associativo 1) Apprendimento percettivo – – – Riconoscere stimoli già percepiti Serve a categorizzare e identificare oggetti e situazioni Dovuto a cambiamenti nella corteccia associativa sensoriale riconoscimento dei volti riconoscimento degli odori riconoscimento dei suoni 3 4 tipi di apprendimento associativo 2) Apprendimento stimolo-risposta – Produzione di un determinato comportamento in presenza di uno specifico stimolo (condizionamento classico e condizionamento operante) – Consolidamento di connessioni tra circuiti percettivi e circuiti motori 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 Esperimento di Pavlov Prima Dopo Il cane sente il suono di un campanello. Qualche msec dopo… … gli viene concessa una bella bistecca! Dopo ripetute associazioni tra i due stimoli, il cane al semplice suono del campanello saliverà aspettandosi la bistecca. 4 Il condizionamento operante: 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 Scatola di Skinner Rinforzo: stimolo appetitivo (che ha conseguenze favorevoli) che segue un particolare comportamento e dunque fa sì che quel comportamento diventi più frequente Punizione: stimolo avversativo (che ha conseguenze sfavorevoli) che segue un particolare comportamento e dunque fa sì che quel comportamento diventi meno frequente 5 Estizione Le risposte condizionate diminuiscono di intensità o hanno una minore probabilità di manifestarsi se lo stimolo condizionato (SC) viene presentato ripetutamente in assenza dello stimolo incondizionato (SI). L’estinzione non comporta solo la scomparsa graduale di un apprendimento pregresso; al contrario, durante il processo di estinzione l’animale apprende che SC permette di prevedere che SI non comparirà. Legge di Hebb: Possibile modello neurale del condizionamento classico. Tale modello si base sull’ipotesi di Hebb (1949) che l’apprendimento coinvolga il rafforzamento di una sinapsi che viene attivata ripetutamente quando il neurone post-sinaptico è attivo. S R 6 4 tipi di apprendimento associativo 3) Apprendimento motorio – – Fa parte del precedente Cambiamenti dei sistemi motori 4 tipi di apprendimento associativo 4) Apprendimento relazionale – Implica l’apprendimento delle relazioni tra singoli stimoli – Consolidamento delle connessione tra aree associative Memoria episodica Apprendimento spaziale Apprendimento per imitazione 7 Apprendimento e plasticità sinaptica • L’apprendimento avviene senza modificazioni strutturali macroscopiche • Richiede modificazioni microscopiche a livello delle sinapsi Efficacia della trasmissione sinaptica • L’ apprendimento è basato sulla modificazione dinamica dell’efficacia della trasmissione sinaptica Una sinapsi “forte” Una sinapsi “debole” 8 Legge di Hebb e apprendimento SI sinapsi forte R L’associazione tra neurone pre e post sinaptico attraverso una sinapsi inizialmente inattiva viene rafforzata quando c’è cooccorrenza dell’attivazione pre e post sinaptica causata da un evento esterno (SI) neurone del sistema somatosensoriale Ammiccamento La presentazione del suono in concomitanza del soffio d’aria determina il rafforzamento della sinapsi debole. sinapsi debole sinapsi rinforzata neurone del sistema uditivo SC Legge di Hebb e apprendimento Se due eventi avvengono contemporaneamente, finiscono per essere associati nel senso che l'attivazione del ricordo di uno dei due induce anche l'attivazione dell’altro. L'associazione tra neurone pre e post sinaptico viene rafforzata quando c’è cooccorrenza dell’attivazione pre e post sinaptica causata da un evento esterno (lo stimolo incondizionato). 9 Potenziamento a lungo termine (PLT) • Aumento a lungo termine nell’eccitabilità di un neurone ad un particolare input sinaptico • Implementa a livello molecolare la legge di Hebb PLT e recettori NMDA • I recettori AMPA aprono un canale per il sodio quando si legano al glutammato • I recettori NMDA hanno uno ione magnesio che impedisce l’apertura del canale • Il canale del recettore NMDA si apre solo quando: – arriva il glutammato dalla cellula pre-sinaptica… – …ed il magnesio è stato espulso perché la cellula postsinaptica è già depolarizzata 10 giro dentato ippocampo complesso subiculare neocorteccia formazione ippocampale cellule granulari del giro dentato via perforante corteccia entorinale (struttura del sistema limbico) cellule piramidali del campo CA3 dell’ippocampo piramidali del campo CA1 dell’ippocampo Mesencefalo basale, setto, corpi mammillari complesso subiculare Potenziamento a lungo termine (PLT) Elettrodo di registrazione Elettrodo di stimolazione Registra il PPSE di popolazione nel giro dentato cellule granulari del giro dentato neocorteccia via perforante corteccia entorinale (struttura del sistema limbico) cellule piramidali del campo CA3 dell’ippocampo piramidali del campo CA1 dell’ippocampo Mesencefalo basale, setto, corpi mammillari complesso subiculare 1° PPSE indica la forza della connessione sinaptica fra i neuroni della corteccia entorinale e quelli del giro dentato prima del potenziamento a lungo termine La via perforante viene stimolata ripetutamente con un treno di impulsi ad alta frequenza Dopo la stimolazione si registra il PPSE: se è > del 1°PPSE vuol dire che si è verificato il PLT PLT: Segue in alcuni casi la legge di Hebb: rafforzamento di sinapsi deboli Può essere prodotto in altre regioni della formazione ippocampale Può essere prodotto in altre aree del cervello Il suo effetto può durare anche diversi mesi 11 Effetti a lungo termine del PLT • L’ingresso di ioni calcio viene “interpretato” come segnale di rinforzo della sinapsi • Aumenta il numero e la sensibilità dei recettori AMPA • Aumenta la produzione di glutammato nella cellula pre-sinaptica Cambiamenti nella morfologia sinaptica Le sinapsi possono: aumentare il numero di vescicole, recettori postsinaptici e ribosomi sviluppare zone sinatpiche separate (sinapsi perforate) dividersi in due far emergere nuove spine dal fuso del dendrite 12 Depressione a lungo termine • Si verifica con stimolazioni a bassa frequenza • E’ legata ai recettori NMDA e AMPA • Si verifica un decremento nel numero di recettori AMPA • Si riduce la sensibilità dei recettori AMPA La legge di Hebb lavora in entrambe le direzioni: input correlati con input sostenuti (o correlati con l’attivazione dei neuroni post-sinaptici) sono rafforzati mentre input non correlati con imput sostenuti (o correlati con assenza di attivazione dei neuroni postsinaptici) sono indeboliti 13 Metodi di studio • Diretti: – Rievocazione • Indiretti: – Non testano intenzionale di eventi passati ESPLICITAMENTE la memoria del soggetto – Rievocazione libera – Rievocazione seriale – Rievocazione guidata – Riconoscimento – Priming di ripetizione – Priming semantico o associativo Gli stadi dell’apprendimento L’apprendimento consiste di due stadi La memoria a breve termine, cioè la memoria immediata di stimoli appena percepiti, che contiene temporaneamente una quantità limitata di informazioni, mantenuti in memoria attraverso la ripetizione. La memoria a lungo termine, contiene in modo permanente una quantità relativamente illimitata di informazioni ed è il risultato di cambiamenti nella forza delle sinapsi. 14 Memoria a lungo termine • Memoria episodica • Memoria semantica Memoria autobiografica Memoria prospettica • Memoria procedurale • Memoria dichiarativa • Memoria anterograda • Memoria retrograda Il paziente HM • Epilessia temporale farmacoresistente • Intervento chirurgico di lobotomia temporale mediale • Amnesia anterograda gravissima • Assenza di amnesia retrograda 15 Disturbi della memoria Un danno cerebrale può causare due tipi di disturbi della memoria: Amnesia anterograda, Amnesia retrograda, che consiste nell’impossibilità di acquisire nuove informazioni dopo il danno, mentre è possibile ricordare gli eventi avvenuti prima. che consiste nell’incapacità di rievocare eventi che sono accaduti prima del danno, mentre rimane intatta la capacità di acquisire nuove informazioni; Danno cerebrale Amnesia retrograda Amnesia anterograda Tempo Il percorso dell’informazione nel processo d’apprendimento L’informazione sensoriale viene acquisita dall’organismo ed è mantenuta nella memoria a breve termine attraverso la ripetizione. In seguito, a seconda della rilevanza che l’informazione ha per il soggetto, essa viene dimenticata oppure trasferita nella memoria a lungo termine, grazie ad un processo di consolidamento a carico dell’ippocampo. Informazione sensoriale Memoria a breve termine Ripetizione Oblio Consolidamento Memoria a lungo termine 16 Sistemi e processi di memoria La memoria ha almeno tre componenti: un magazzino sensoriale (buffer memoria iconica, ecoica, etc.), sensoriale, un magazzino a breve termine ed un magazzino a lungo termine. Modello dell’amnesia anterograda Il paziente HM ha una memoria a breve nella norma, ma presenta problemi nel consolidamento della traccia. Questo deve dipendere dalla dissociazione tra memoria per gli eventi passati e memoria per gli eventi attuali. X 17 Curva di posizione seriale Effetto di priorità invece consiste nella tendenza a rievocare abbastanza bene ma con un incertezza maggiore i primi elementi della lista. 1 Recenza 0.9 0.8 0.7 Probabilità di rievocare Effetto recenza consiste nella tendenza a rievocare gli ultimi elementi della lista in modo corretto ed accurato, Priorità 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Posizione delle parole nella lista MBT e MLT La separazione dei magazzini di memoria viene anche suggerita da altri esperimenti che dimostrano come la similarità acustica tra elementi da ricordare peggiori le prestazioni in compiti di MBT mentre la similarità semantica peggiora le prestazioni in compiti di MLT. Ciò, per altro ci fa concludere che la MBT contiene materiale codificato soprattutto in termini fonologici, mentre il magazzino a LT rietiene il materiale in termini prevalentemente semantici. 18 Processi neurali alla base della memoria Magazzino a breve termine Magazzino a lungo termine • Supportato da processi attivi • Non dipende dall’attività elettrica dei neuroni • Dipendente dall’attività elettrica dei neuroni • Circuiti riverberanti a capacità limitata • Richiede aree corticali specializzate (ippocampo) solamente per il consolidamento • Localizzato in aree corticali specializzate Disturbi di memoria a breve termine Il difetto mnestico è material-specifico: VERBALE VISUO-SPAZIALE Lesioni emisferiche sinistre Lesioni emisferiche destre Span verbale selettivamente compromesso (Rievocazione libera) Span spaziale selettivamente compromesso (Test di Corsi) Prestazioni migliori per stimoli Span verbale preservato presentati visivamente Non attribuibile a deficit nell’analisi acustico-fonologica Non attribuibile a deficit nell’analisi visiva degli stimoli o a deficit di produzione verbale 19 Alla ricerca dell’engramma • Lashley: nessuna lesione corticale localizzata abolisce il ricordo della struttura di un labirinto • Caso di HM: l’assenza di amnesia retrograda indica che l’ippocampo non è la sede dei ricordi Un episodio, molte informazioni Il volto della persona Il timbro della sua voce Data, ora e luogo dell’incontro Bla bla bla Com’era vestito Il contenuto del suo discorso 20 L’organizzazione distribuita dei ricordi Ogni regione dominio-specifica è in grado di apprendere, riconoscere e rievocare le informazioni per cui è competente La memoria a lungo termine di HM • HM ha notevoli capacità residue di memoria… • …ma non ricorda di averle • La memoria a lungo termine ha varie componenti 21 La memoria I vari tipi di apprendimento fanno riferimento a due tipi di memoria: non-dichiarativa: dichiarativa: non coinvolge l’ippocampo, coinvolge l’ippocampo, include l’apprendimento percettivo, stimolo-risposta e motorio, riguarda tutte le forme di apprendimento associativo, automaticamente senza bisogno di tentativi intenzionali da parte del soggetto di memorizzare qualcosa e di cui il soggetto può non essere esplicitamente consapevole apprendimenti esplicitamente disponibili al ricordo consapevole (come la memoria di fatti, eventi, esperienze) Ippocampo e memoria episodica Ippocampo? 22 Il paziente R.B. • Arresto cardiaco, anossia cerebrale con • Lesione cerebrale in CA1 • Amnesia anterograda gravissima • Assenza di amnesia retrograda Confabulazione • Sintomo della sindrome di Korsakoff ma può anche essere dovuta a lesione cerebrale • Consiste nel riportare eventi che non sono accaduti realmente • Dovuta a distruzione delle funzioni normali della corteccia prefrontale • Si possono distinguere confabulazioni spontanee e confabulazioni provocate 23 Il ratto ippocampale nel labirinto Il ratto con lesione ippocampale non riesce a ricordare se in una certa porta c’è già stato oppure no, ma è ancora in grado di apprendere dove viene solitamente posizionato il cibo. Il labirinto di Morris Il compito richiede ai ratti di trovare una particolare posizione nello spazio solamente per mezzo di indizi visivi (landmark) esterni all’apparato. I ratti normali imparano a nuotare direttamente verso al piattaforma a prescindere da dove vengono posizionati. I ratti ippocampali nuotano senza uno scopo fino a trovare la piattaforma per caso. 24 Le “Place cells” ippocampali Le place cell scaricano intensamente quando il ratto si trova in una particolare posizione. Neuroni diversi hanno campi recettivi spaziali diversi. I tassisti londinesi Anche nell’uomo l’ippocampo si attiva in compiti di memoria spaziale, quali “navigare” in un ambiente virtuale o immaginare un percorso. 25 PER UN NMDA IN PIU’… I topi che non hanno recettori NMDA in CA1 apprendono il labirinto di Morris molto più lentamente dei topi normali Mentre i topi che hanno recettori NMDA “potenziati” apprendono il labirinto di Morris molto più velocemente dei topi normali 26
