Insegnamento di Fisiologia 6. PSICOFISIOLOGIA DI APPRENDIMENTO E MEMORIA

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Insegnamento di Fisiologia 6. PSICOFISIOLOGIA DI
APPRENDIMENTO E MEMORIA

• Claudio Babiloni
• Dipartimento di Fisiologia Umana e Farmacologia
• Università di Roma La Sapienza

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Notizie utili

• Testo consigliato Carlson N., Fondamenti di
  Psicologia Fisiologica, V edizione, ed. it. a
  cura di L. Petrosini, L. De Gennaro e C.
  Guariglia, Casa Editrice Piccin 2003.
• Figure di questa lezione prese dal testo
  consigliato.
• Copie dei lucidi disponibili su sito WEB
  http//hreeg.ifu.uniroma1.it/Education2/Materiale_
  didattico.htm
• Indirizzo email claudio.babiloni_at_uniroma1.it

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Apprendimento e plasticità dei neuroni ippocampali
Apprendimento produce dei cambiamenti nel modo
in cui percepiamo, agiamo, pensiamo e sentiamo.
Ciò si realizza mediante cambiamenti nei circuiti
neurali che servono tali funzioni. Apprendimento
percettivo consiste principalmente in
cambiamenti del sistema percettivo che ci
permettono di riconoscere gli stimoli, in modo
che possiamo rispondere appropriatamente.
Lapprendimento stimolo-risposta consiste di
connessioni tra il sistema percettivo e quello
motorio. Le forme più importanti sono il
condizionamento classico e quello operante. 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. Il condizionamento operante si
verifica quando una risposta è seguita da uno
stimolo rinforzante (acqua, cibo, approvazione
sociale) o dalla abolizione di uno stimolo
disturbante (dolorifico o ansiogeno). Ciò aumenta
la possibilità che lo stimolo induca la risposta
rinforzata. Lapprendimento motorio imparare a
mettere in atto una risposta nuova. Si basa sul
cambiamento di circuiti motori e sensitivi
(schemi sensitivo-motori, quindi una forma di
apprendimento stimolo-risposta). Lapprendimento
associativo implica la capacità di riconoscere
gli oggetti attraverso più di una modalità
sensoriale, riconoscere la posizione relativa
degli oggetti nellambiente e ricordare la
sequenza in cui gli eventi si verificano durante
particolari episodi di vita. Apprendimento e
plasticità sinaptica stimolazioni ad alta
frequenza di un circuito di neuroni
nellippocampo rafforzano le sinapsi tra i
neuroni. Leffetto è che la ripetizione dello
stimolo determina potenziali post-sinaptici
eccitatori più ampi che nella prima stimolazione,
il fenomeno è chiamato potenziamento a lungo
termine. Potenziamento a lungo termine nei
neuroni ippocampali i recettori NMDA (recettori
del glutammato connessi a canali per il calcio)
sulla membrana post-sinaptica sono sensibili al
neurotrasmettitore eccitatorio glutammato emesso
dal neurone pre-sinaptico. Tali recettori
controllano i canali del calcio, ma possono
aprirli soltanto se la membrana post-sinaptica è
già depolarizzata. Quindi, la combinazione di
depolarizzazione di membrana post-sinaptica e
attivazione di recettori NMDA causa lentrata di
ioni calcio. Laumento di calcio nel neurone
post-sinaptico attiva enzimi calcio-dipendenti
che causano linserimento di recettori AMPA
(recettori del glutammato connessi a canali per
il sodio) nella membrana post-sinaptica,
rendendola più sensibile al neurotrasmettitore
glutammato e facendo generare un potenziale
post-sinaptico più ampio. Gli enzimi
calcio-dipendenti possono attivare enzimi (NO
sintetasi) che fanno diffondere ossido dazoto
fuori dalla membrana post-sinaptica, aumentando
lespulsione di neurotrasmettitore glutammato dal
neurone pre-sinaptico. Depressione a lungo
termine nei neuroni ippocampali si verifica
quando viene attivita una sinapsi nello stesso
momento in cui la membrana post-sinaptica è
inibita (iperpolarizzata).
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Basi neurali dellapprendimento percettivo e del
condizionamento
Basi neurali dellapprendimento percettivo le
sinapsi della corteccia associativa sensoriale.
Il riconoscimento visivo di oggetti dipende dalla
corteccia temporale inferiore (via ventrale del
sistema visivo). La sua lesione interferisce il
riconoscimento. La valutazione visuo-spaziale
degli oggetti dipende da aree corticali parietali
posteriori (via dorsale del sistema visivo). La
memoria visiva a breve termine implica
lattivazione di neuroni nella corteccia
associativa visiva. Neuroni nella corteccia
temporale inferiore codificano le informazioni
presentate durante il periodo in cui è presente
loggetto e anche nel periodo in cui
temporaneamente loggetto è nascosto prima di un
successivo confronto tra stimoli. La corteccia
prefrontale concorre a mantenere linformazione
sulloggetto quando esso è nascosto e, inoltre,
converte le informazioni sensoriali in piani di
risposta comportamentale. Basi neurali del
condizionamento classico quando uno stimolo
neutrale uditivo (SC) è seguito da uno stimolo
incondizionato come la scossa ad una zampa (SI) i
due tipi di informazione convergono nella
porzione mediale del nucleo genicolato mediale
del talamo e nellamigdala laterale. Lamigdala
laterale è connessa, mediante il nucleo
basolaterale, al nucleo centrale, che è
responsabile delle varie componenti della
risposta emozionale. Le lesioni in un punto
qualsiasi di questo circuito interrompono la
risposta. Lapprendimento è mediato dal
potenziamento a lungo termine dei neuroni del
suddetto circuito, mediato dai recettori NMDA..Il
potenziamento a lungo termine dei neuroni
dellamigdala laterale aumenta la riposta neurale
agli stimoli uditivi (RC). Basi neurali del
condizionamento operante i gangli della base
sono uno dei siti ove si rafforzano le sinapsi
tra neuroni che codificano gli stimoli e quelli
che controllano la risposta motoria
automatica-abituale. I gangli della base ricevono
dalla corteccia informazioni relative sia
sensoriali sia riguardo la pianificazione dei
movimenti. La loro lesione disturba il
condizionamento operante. Una malattia dei gangli
della base (morbo di Parkinson) disturba la
produzione di risposte motorie automatiche e
disturba lapprendimento motorio. Rinforzo e
dopamina.la dopamina è un importante
neurotrasmettitore collegato al rinforzo. I
circuiti neurali del rinforzo i neuroni
dopaminergici originano dal mesencefalo (sostanza
nera) e si connettono con gangli della base
(nucleo accumbens), corteccia prefrontale e
amigdala. La presenza di stimoli rinforzanti
determina il rilascio di dopamina nel nucleo
accumbens. Anche lipotalamo laterale è parte del
circuito quando il rinforzo è il cibo o lacqua
in condizioni di deprivazione. La lesione
dellamigdala abolisce il rinforzo condizionato.
La corteccia prefrontale rinforza i circuiti
neurali dei piani che raggiungono lobiettivo
prefissato. Uomini e topi operano per assumere
sostanze simili alla dopamina (anfetamina,
cocaina).
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Basi neurali dellapprendimento associativo
Amnesia anterograda una lesione cerebrale (danno
bilaterale dellippocampo e sindrome di
Korsakoff) rende incapaci di ricordare a lungo
termine eventi successivi alla lesione, anche se
la memoria a breve termine (quella necessaria per
ricordare le cose per pochi secondi) è del tutto
integra. Apprendimento/memoria procedurale e
dichiarativa il deficit in questione non
riguarda lapprendimento e il richiamo (memoria
procedurale o implicita) di eventi percettivi, di
associazioni stimolo-risposta e di sequenze
motorie. Esso riguarda lapprendimento e la
memoria dichiarativa o esplicita di eventi o
episodi. Input e out dellippocampo è una
struttura nervosa della regione temporale
mediale. Gli input allippocampo arrivano tramite
stazioni di ritrasmissione nelle corteccie
peririnali, paraippocampali ed entorinali. Le
uscite dallippocampo seguono il percorso
opposto. Gli input-output sotto-corticali
dellippocampo viaggiano nel fornice. Lesione
sperimentale dellippocampo distrugge la
capacità di apprendere relazioni spaziali e
relazioni temporali tra eventi (ora rispetto a
prima). Lippocampo contiene neuroni che
codificano la posizione dellindividuo rispetto
agli stimoli ambientali (place cell). Tuttvia,
lipoocampo è cruciale anche per lapprendimento
di relazioni non spaziali tra gli oggetti e nella
discriminazione tra diversi eventi e contesti
dellapprendimento. Potenziamento a lungo termine
nei neuroni ippocampali i recettori NMDA sulla
membrana post-sinaptica ippocampale sono
responsabili dellapprendimento spaziale, dato
che unalterazione genica che danneggia il
recettore NMDA impedisce lapprendimento
spaziale.
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I tipi di apprendimento procedurali,
impliciti, non dichiarativi

• Apprendimento produce dei cambiamenti nel modo
  in cui percepiamo, agiamo, pensiamo e sentiamo.
  Ciò si realizza mediante cambiamenti nei circuiti
  neurali che servono tali funzioni
• Apprendimento percettivo consiste principalmente
  in cambiamenti del sistema percettivo che ci
  permettono di riconoscere gli stimoli, in modo
  che possiamo rispondere appropriatamente
• Lapprendimento motorio imparare a mettere in
  atto una risposta nuova. Si basa sul cambiamento
  di circuiti motori e sensitivi (schemi
  sensitivo-motori, quindi una forma di
  apprendimento stimolo-risposta)
• Apprendimento stimolo-risposta consiste di
  connessioni tra il sistema percettivo e quello
  motorio. Le forme più importanti sono il
  condizionamento classico e quello operante

Fig. 12.3 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Basi neurali dellapprendimento percettivo

• Apprendimento percettivo dipende dal
  rafforzamento di sinapsi della corteccia
  associativa posteriore (sensoriale) e frontale
• Via ventrale del sistema visivo il
  riconoscimento visivo di oggetti dipende dalla
  corteccia temporale inferiore. La sua lesione
  interferisce il riconoscimento di oggetti
• Via dorsale del sistema visivo la valutazione
  visuo-spaziale degli oggetti dipende da aree
  corticali parietali posteriori

Fig. 12.6 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Il modello neurale semplificato del
condizionamento classico

• 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
• Legge di Hebb illustra un possibile modello
  neurale del condizionamento classico. Tale
  modello si base sullipotesi di Hebb che
  lapprendimento coinvolga il rafforzamento di una
  sinapsi che viene attivata ripetutamente quando
  il neurone post-sinaptico è attivo

Fig. 12.1 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Circuiti nervosi implicati nel condizionamento
classico
Fig. 12.18 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003

• I circuiti nervosi quando uno stimolo neutrale
  uditivo (SC) è seguito da uno stimolo
  incondizionato come la scossa ad una zampa (SI),
  i due tipi di informazione convergono nella
  porzione mediale del nucleo genicolato mediale
  del talamo e nellamigdala laterale
• Amigdala laterale è connessa mediante il nucleo
  basolaterale al nucleo centrale, che è
  responsabile delle varie componenti della
  risposta emozionale. Le lesioni in un punto
  qualsiasi di questo circuito interrompono la
  risposta
• Effetti del condizionamento il potenziamento a
  lungo termine dei neuroni dellamigdala laterale
  aumenta la riposta neurale agli stimoli uditivi
  (RC)

Fig. 12.19 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Il modello neurale semplificato del
condizionamento operante

• Il condizionamento operante o apprendimento
  strumentale 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

Fig. 12.2 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Circuiti nervosi implicati nel condizionamento
operante

• I gangli della base si rafforzano le sinapsi tra
  neuroni che codificano gli stimoli e quelli che
  controllano la risposta motoria
  automatica-abituale
• Connessioni anatomiche i gangli della base
  ricevono dalla corteccia informazioni relative
  sia sensoriali sia riguardo la pianificazione dei
  movimenti
• Lesione dei gangli della base disturba il
  condizionamento operante. Una malattia dei gangli
  della base (morbo di Parkinson) disturba la
  produzione di risposte motorie automatiche e
  disturba lapprendimento motorio

Fig. 12.20 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Lo stimolo di rinforzo e il neurotrasmettitore
dopamina

• Stimolo di rinforzo e dopamina la dopamina è un
  importante neurotrasmettitore collegato al
  rinforzo
• I circuiti neurali del rinforzo i neuroni
  dopaminergici originano dal mesencefalo (sostanza
  nera) e si connettono con gangli della base
  (nucleo accumbens), corteccia prefrontale e
  amigdala

Fig. 12.21 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Lo stimolo di rinforzo e il neurotrasmettitore
dopamina

• Stimolazione rinforzante (premio) determina il
  rilascio di dopamina nel nucleo accumbens dei
  gangli della base. Anche lipotalamo laterale è
  parte del circuito quando il rinforzo è il cibo o
  lacqua in condizioni di deprivazione
• La lesione dellamigdala abolisce il rinforzo
  condizionato
• La corteccia prefrontale rinforza i circuiti
  neurali dei piani che raggiungono lobiettivo
  prefissato. Uomini e topi operano per assumere
  sostanze simili alla dopamina (anfetamina,
  cocaina)

Fig. 12.22 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Apprendimento e plasticità neurale

• Lapprendimento associativo implica la capacità
  di riconoscere gli oggetti attraverso più di una
  modalità sensoriale, riconoscere la posizione
  spaziale relativa degli oggetti nellambiente e
  ricordare la sequenza in cui gli eventi si
  verificano durante particolari episodi di vita
• Apprendimento e plasticità sinaptica
  stimolazioni ad alta frequenza di un circuito di
  neuroni nellippocampo (in figura) rafforzano le
  sinapsi tra i neuroni. Leffetto è che la
  ripetizione dello stimolo determina potenziali
  post-sinaptici eccitatori più ampi che nella
  prima stimolazione, il fenomeno è chiamato
  potenziamento a lungo termine

Fig. 12.4 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Potenziamento a lungo termine nei neuroni
ippocampali

• I recettori NMDA sulla membrana post-sinaptica
  sono sensibili al neurotrasmettitore eccitatorio
  glutammato emesso dal neurone pre-sinaptico
  ippocampale e controllano canali del calcio.
  Possono aprirli soltanto se la membrana
  post-sinaptica è già depolarizzata. Quindi, la
  combinazione di depolarizzazione di membrana
  post-sinaptica e attivazione di recettori NMDA
  causa lentrata di ioni calcio
• Enzimi calcio-dipendenti allentrata di calcio,
  causano linserimento di recettori AMPA
  (recettori del glutammato connessi a canali per
  il sodio) nella membrana post-sinaptica,
  rendendola più sensibile al neurotrasmettitore
  glutammato e facendo generare un potenziale
  post-sinaptico più ampio
• Influenze sul neurone pre-sinaptico gli enzimi
  calcio-dipendenti possono attivare enzimi (NO
  sintetasi) che fanno diffondere ossido dazoto
  fuori dalla membrana post-sinaptica, aumentando
  lespulsione di neurotrasmettitore glutammato dal
  neurone pre-sinaptico

Fig. 12.7 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Modelli di potenziamento a lungo termine nei
neuroni ippocampali (I)
Fig. 12.8 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
17
Modelli di potenziamento a lungo termine nei
neuroni ippocampali (II)
Fig. 12.9 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
18
Modelli di potenziamento a lungo termine nei
neuroni ippocampali (III)
Fig. 12.12 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Modelli di potenziamento a lungo termine nei
neuroni ippocampali (IV)

• CAM-KII è una chinasi calcio-calmodulina di tipo
  II, un enzima attivato dal calcio. Può svolgere
  un ruolo nel consolidamento del potenziamento a
  lungo termine
• Enzimi calcio-dipendenti possono attivare
  enzimi (ossido dazoto sintetasi, NO sintetasi)
  che fanno diffondere ossido dazoto fuori dalla
  membrana post-sinaptica, aumentando lespulsione
  di neurotrasmettitore glutammato dal neurone
  pre-sinaptico
• Depressione a lungo termine nei neuroni
  ippocampali una diminuzione a lungo termine
  della eccitabilità di un neurone per un
  particolare input sinaptico, la quale è causata
  dalla stimolazione del bottone terminale mentre
  la membrana post-sinaptica è iperpolarizzata o
  debolmente depolarizzata

Fig. 12.13 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Il mantenimento in memoria dellinformazione

• La memoria visiva a breve termine implica
  lattivazione di neuroni nella corteccia
  associativa visiva
• Corteccia temporale inferiore codificano le
  informazioni presentate durante il periodo in cui
  è presente loggetto e anche nel periodo in cui
  temporaneamente loggetto è nascosto prima di un
  successivo confronto tra stimoli (risposta
  ritardata)
• Corteccia prefrontale concorre a mantenere
  linformazione sulloggetto quando esso è
  nascosto e, inoltre, converte le informazioni
  sensoriali in piani di risposta comportamentale

Fig. 12.17 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
21
Tipi di amnesia (dimenticanza)

• Amnesia anterograda una lesione cerebrale (danno
  bilaterale dellippocampo sindrome di Korsakoff,
  vale a dire danno dei nuclei mammillari del
  talamo) rende incapaci di ricordare a lungo
  termine eventi successivi al danno cerebrale,
  anche se la memoria a breve termine (quella
  necessaria per ricordare le cose per pochi
  secondi) è del tutto integra
• Amnesia retrograda rigurda la dimenticanza degli
  eventi che precedono un danno cerebrale, come un
  trauma cranico o una forte stimolazione elettrica
  o magnetica cerebrale (esempio elettroshock)

Fig. 12.23 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Ippocampo e apprendimento associativo

• Apprendimento/memoria procedurale e dichiarativa
  il deficit in questione non riguarda
  lapprendimento e il richiamo (memoria
  procedurale o implicita) di eventi percettivi, di
  associazioni stimolo-risposta e di sequenze
  motorie. Esso riguarda lapprendimento e la
  memoria dichiarativa o esplicita di eventi o
  episodi del passato

Tabella. 12.1 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Connessioni anatomiche dellippocampo

• Input e out dellippocampo è una struttura
  nervosa della regione temporale mediale
• Gli input allippocampo arrivano tramite
  stazioni di ritrasmissione nelle corteccie
  peririnali, paraippocampali ed entorinali
• Le uscite dallippocampo seguono il percorso
  opposto. Gli input-output sotto-corticali
  dellippocampo viaggiano nel fornice

Fig. 12.28 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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Ippocampo e apprendimento associativo

• Lesione sperimentale dellippocampo distrugge la
  capacità di apprendere relazioni spaziali e
  relazioni temporali tra eventi (ora rispetto a
  prima)
• Caratteristiche spaziali dei neuroni
  ippocampali codificano la posizione
  dellindividuo rispetto agli stimoli ambientali
  (place cell). I recettori NMDA sulla membrana
  post-sinaptica ippocampale sono responsabili
  dellapprendimento spaziale per potenziamento a
  lungo termine
• Caratteristiche non spaziali dei neuroni
  ippocampali lipoocampo è cruciale anche per
  lapprendimento di relazioni non spaziali tra gli
  oggetti e nella discriminazione tra diversi
  eventi e contesti dellapprendimento

Fig. 12.30 di Carlson, Psicologia fisiologica,
Piccin, 2003
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AUTOVALUTAZIONE
APPRENDIMENTO E PLASTICITÀ DEI NEURONI
IPPOCAMPALI Definizione di apprendimento e di
apprendimento percettivo I due principali tipi di
apprendimento stimolo-risposta il
condizionamento Definizione dellapprendimento
motorio Definizione dellapprendimento
associativo Esempio di plasticità sinaptica di
neuroni dellippocampo (potenziamento a lungo
termine e depressione a lungo termine) BASI
NEURALI DELLAPPRENDIMENTO PERCETTIVO E DEL
CONDIZIONAMENTO Basi neurali dellapprendimento
percettivo e della memoria visiva a breve termine
Basi neurali del condizionamento classico Basi
neurali del condizionamento operante Relazione
tra stimolo di rinforzo e circuiti
dopaminergici BASI NEURALI DELLAPPRENDIMENTO
ASSOCIATIVO Definizione di amnesia anterograda e
retrograda Definizione di apprendimento/memoria
procedurale rispetto a quella dichiarativa e
relazioni con lippocampo