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
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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”
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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?
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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.
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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
