Neurobiologia wybrane zagadnienia neuroscience

Transkrypt

1 Neurobiologia wybrane zagadnienia neuroscience Dariusz Adamek Zakład Neuropatologii, CM UJ Materiały do wykładów z neurobiologii dla studentów Wydziału Lekarskiego i Stomatologii CM UJ Materiały stanowią własność autora (w rozumieniu praw autorskich) i mogą być wykorzystywane jedynie jako pomoc i podstawa do przygotowania się do zaliczenia przez studentów zajęć fakultatywnych z zakresu neurobiologii, którym zostały udostępnione nieodpłatnie. 1/43

2 1.Autonomiczny Układ Nerwowy Walter Gaskell i John Langley (XIX w) z Cambridge Walter Cannon (początek XX w) z Harvardu a) układ sympatyczny b)układ parasympatyczny Autonomiczny (trzewny) układ nerwowy: Komponenta motoryczna układu autonomicznego Unerwienie sympatyczne (współczulne) i parasympatyczne (przywspółczulne) narządów o przeciwstawnym działaniu wg następujących zasad : Układ sympatyczny : Fight or flight (czyli WALCZ lub ZMYKAJ Układ parasympatyczny: Rest and digest (czyli ODPOCZYWANIE i PRZETRAWIANIE ) Wszystkie neurony przedzwojowe układu parasympatycznego jak i sympatycznego są cholinergiczne a ich aksony kończą się na autonomicznych komórkach zwojowych synapsami z receptorem nikotynowym. (szczegółowy opis układu autonomicznego znajdą Państwo w odpowiednim rozdziale Neurofizjologii prof.konturka) Ważne uwagi i wyjątki co do unerwienia autonomicznego: Zwoje układu parasympatycznego leżą bliżej unerwianych narządów Neurony zwojów parasympatycznych w porównaniu z komórkami zwojowymi zwojów sympatycznych mają bardzo nieliczne dendryty (mniejsza konwergencja) Mniejsza jest też dywergencja parasympatycznych neuronów przedzwojowych Gruczoły potowe, rdzeń nadnerczy i mięśnie piloerekcyjne otrzymują niemal wyłącznie unerwienie sympatyczne Sympatyczne unerwienie gruczołów potowych jest cholinergiczne (pozostałych narządów adrenergiczne) Komponenta czuciowa układu autonomicznego Dostarcza informacji dzięki lokalnym obwodom odruchowym regulującym funkcjonowanie narządów Dostarcza informacji do wyższych koordynacyjnych ośrodków układu autonomicznego Komponenta czuciowa autonomicznego układu nerwowego ( czucie trzewne ) W porównaniu z neuronami czucia somatycznego neurony czucia trzewnego są ok. 10x mniej liczne - stąd znacznie mniej dokładna lokalizacja bólu trzewnego. Bardzo niewiele z impulsacji czuciowej trzewnej dochodzi do świadomości. Ośrodki komponenty czuciowej autonomicznego układu nerwowego: 2/43

3 Jądro pasma samotnego (nucleus tractus solitarius) rdzenia przedłużonego (głównie jego część kaudalna) jest zasadniczym miejscem konwergencji autonomicznej informacji czuciowej (jego część rostralna należy do drogi czucia smaku) Pierwszorzędowe trzewne neurony czuciowe Należą do nich: 1. Komórki zwojów korzonków grzbietowych (inne neurony tych zwojów przewodzą też czucie somatyczne). Centralne aksony tych komórek tworzą połączenia z drugorzędowymi trzewnymi neuronami czuciowymi w rogach tylnych oraz z neuronami rogów bocznych. Obwodowe aksony tych komórek kończące się czuciowymi zakończeniami (wrażliwe na różne modalności np. nocyceptory, rozciąganie, ciśnienie) lub docierające do receptorów czuciowych (chemoreceptory tlenu w kłebkach szyjnych) biegną razem z nerwami sympatycznymi. 2. Komórki zwojów czuciowych n.x i n.ix (ich aksony docierają bezpośrednio do jądra pasma samotnego) Drugorzędowe trzewne neurony czuciowe, których aksony docierają do różnych struktur OUN: a) jądra pasma samotnego, b) brzuszno-tylnej części wzgórza c) tworu siatkowatego Do drugorzędowych trzewnych neuronów czuciowych należą: Neurony rogów tylnych (część aksonów I-rz.neuronów konwerguje na neuronach czucia somatycznego, co stanowi podłoże bólu odniesionego ponadto część aksonów autonomicznych I- rz.neuronów czuciowych kończy się w rogach bocznych rdzenia w strefach autonomicznych neuronów przedzwojowych stanowią one część autonomicznych łuków odruchowych trzewno-trzewnych ) Neurony w okolicy kanału centralnego rdzenia Ich aksony łączą się z powrózkami tylnymi (i kończą się w neuronach zwojów powrózków tylnych) i tworzą nowopoznaną droga trzewnego czucia bólu! Ośrodki układu autonomicznego w mózgu tworzące ośrodkową sieć autonomiczną odpowiedzialną m.in. za odczucia i odpowiedzi autonomiczno-emocjnalne : Tylna część kory wyspy (czuciowy input autonomiczny) Przyśrodkowa kora przedczołowa (motoryczny ośrodek układu autonomicznego?) Podwzgórze (centrum koordynacyjne układu autonomicznego-trzewnego) zarządza poprzez ośrodki autonomiczne układu siatkowatego (centrum wielu łuków odruchowych kontrolujących pracę serca, reakcje seksualne, funkcje oddychania, oddawania moczu, reakcje wymiotne) Podwzgórze obszar łączący i integrujący układ nerwowy i hormonalny funkcje: Kontrola układu krążenia Regulacja metabolizmu Regulacja funkcji reprodukcyjno-seksualnych Koordynacja odpowiedzi w warunkach zagrożenia Biofeedback czyli próba świadomego trenowania autonomicznego układu nerwowego. Biofeedback zalicza się do tzw. medycyny alternatywnej (komplementarnej) i polega na ciągłych pomiarach niektórych parametrów biofizycznych takich jak: -ciśnienie krwi, -temperatura skóry, -tętno, - galvanic skin response (pomiar pocenia się), -napięcie mięśni (w EMG) -elektryczna aktywność mózgu (EEG) oraz prezentacji ich wyników w czasie rzeczywistym aby umożliwić świadomą ich kontrolę (kontrolę nad aktywnością, która tradycyjnie wydawała się podlegać wyłącznie mechanizmom odruchowym bez udziału świadomości). 3/43

4 2.Emocje odczuwanie i ekspresja: Emocje (reakcje emocjonalne) to główny napęd motywacjyjny aktywności. Poprzez obserwację reakcji emocjonalnych możemy poznać ukrytą prawdę o (drugim) człowieku a zarazem samemu się zdradzić. Umiejętności prawidłowej oceny emocji oraz wpływania na emocje własne i innych decydują o osobniczym sukcesie społecznym. Nieprawidłowe reakcje emocjonalne cechują liczne schorzenia psychiatryczne Nastrój można rozumieć jako przedłużony stan emocjonalny Badania neuronalnych obwodów emocji (jej percepcji i ekspresji) mają szczególne znaczenie z uwagi na: Rolę zaburzeń emocjonalnych w patomechanizmach schorzeń psychiatrycznych zwłaszcza depresji Rolę reakcji emocjonalnych w patogenezie schorzeń psychosomatycznych lub przynajmniej aspektu psychosomatycznego wielu schorzeń Choroba nadciśnieniowa, wrzodowa, Rolę emocjonalności w modulacji procesów kognitywnych efektywność uczenia się, sprawność procesów decyzyjnych, działanie w sytuacji stresowej, koncentracja uwagi. Rolę reakcji emocjonalnych w zachowaniach społecznych oddziaływanie reklam, wpływ na wybory polityczne, tworzenie lub utratę więzi społecznych, zdolność/niezdolność do współpracy w obrębie celowej grupy, np. drużyny sportowej czy załogi samolotu itp. Test na inteligencje emocjonalną Mayer-Salovey-Caruso Emotional Intelligence Test bada nastepujące aspekty: spostrzeganie emocji, wykorzystywanie emocji w procesach poznawczych (facilitating thought) rozumienie emocji kierowanie emocjami Przeciwstawne teorie emocji : James a-lange a (koniec XIX w.): objawy generowane poprzez działanie głównie autonomicznego układu nerwowego (np.. Uczucie kołatania serca) odczuwamy jako emocję Cannon a-barda (lata 20-te XX w.): Czynnik postrzegany jako emocjonalny (np. widok groźnego zwierzęcia) wywołuje reakcję centralnego układu nerwowego prowadzącą do odpowiednich zmian w funkcji różnych narządów i reakcji ruchowych somatycznych (np. ucieczka). Innymi słowy teoria wskazuje, że doświadczenie emocjonalne występuje niezależnie od reakcji somatycznej (np. po przecięciu rdzenia) Schachter a-singer a tzw. teoria dwóch czynników (Stanley Schachter, Jerome Singer 60-te lata XXw): interpretacja kognitywna reakcji fizjologicznych Toisty mózg (Paul MacLean 1990) gadzi pień mózgu, móżdżek,jądra podstawy, wzgórze opuszki węchowe ssaczy system limbiczny naczelno-człowieczy Supresja lub augmentacja emocjonalności Za pierwotne Emocje uważa się: Złość Strach Przyjemność Smutek Obrzydzenie Ekspresja emocji angażuje część ruchowego układu somatycznego oraz trzewny układ nerwowy (autonomiczny). Ten ostatni jest szczególnie silnie związany z ekspresją i odczuciem emocji 4/43

5 Główne drogi (bezpośredniej) ekspresji emocji: Reakcje trzewnego ruchowego układu nerwowego (autonomicznego) Mimika twarzy Prozodia mowy mowa ciała (body language) Twarz jest zasadniczym medium emocji (Na twarzy malują się emocje )(u zwierząt podobnie!) Osobna wolicjonalna i emocjonalna kontrola neuronalna motoryki twarzy. Badania Duchenne doprowadziły do stwierdzenia, że część motoryki twarzy podległa jest woli (tzw. uśmiech piramidowy ), a część nie (ekspresja emocji uśmiech Duchenne ). Mimika twarzy: System Ekmana i Friesen a (Facial Action Coding System (46 jednostek działaniowych tzw. Action Units) UWAGA: Obserwacja twarzy (w tym ekspresji emocji) szczególnie silnie angażuje ciała migdałowate Istotne składniki układów neuronalnych ekspresji emocji: podwzgórze i układ limbiczny Podwzgórze i jego połączenia: - aferentne ( wchodzące do podwzgórza): 1) poprzez FORNIX: Z formacji hipokampa (tzw sklepienie-fornix postkomisuralne prowadzi aksony z subiculum do przyśrodkowego podwzgórza oraz ciał suteczkowatych, a także do przedniego wzgórza, sklepienie prekomisuralne prowadzi aksony z hipokampa i subiculum do przedniego podwzgórza oraz jader przegrody) 2) poprzez STRIA TERMINALIS (prążek krańcowy): aksony z przyśrodkowego c. migdałowatego i okolicznej kory do przyśrodkowego podwzgórza, także do tzw. j. łożyskowego prążka krańcowego 3) poprzez PRZYŚRODKOWY PECZEK PRZODOMÓZGOWIA (medial forebrain bundle): aksony z jąder przegrody i pasma diagonalnego Broca do bocznego i przysrodkowego podwzgórza a także do c.suteczkowatych 4) poprzez BRZUSZNY SZLAK ODMIGDAŁOWY (central amygdalofugal pathway) aksony pochodzące z j. podstawno-bocznego c. migdałowatego dochodzące do bocznego podwzgórza (inne aksony tego pęczka biegna doogonowo do substancji szarej okołowodociągowej) 5) włokna wzgórzowo-podwzgórzowe (z n.mediodorsalis thalami a zatem z jadra otrzymującego połaczenia z korą przedczołową i zakrętu obręczy) 6) włokna siatkówkowo-podwzgórzowe (z siatkówki do n.suprachiasmaticus - informacja wzrokowa wazna dla kontroli snu i rytmów dobowych układu endokrynnego) 7) substancji szarej okołowodociągowej (obukierunkowe połaczenia z przyśrodkowym podwzgórzem) 8) włokna monoaminergiczne (z l.ceruleus, VTA,, n.raphe) (zob. uwagi poniżej o roli monoamin w emocjonalności)) - eferentne ( wychodzące z podwzgórza): 1) z c. suteczkowatych do wzgórza (tr. Mammillothalamicus do przednigo wzgórza) oraz do nakrywki śródmózgowia 2) aksony z przysrodkowego podwzgórza do c. migdałowatego, do substancji szarej okołowodociągowej (a za jej pośrednictwem do ośrodków parasympatycznych i sympatycznych pnia i rdzenia.) 3) z bocznego podwzgórza poprzez PRZYŚRODKOWY PECZEK PRZODOMÓZGOWIA (medial forebrain bundle) do jąder przegrody i pasma Broca a nawet do kory przedczołowej i hipokampa a także do brzusznej części substancji szarej okołowodociągowej. 4) aksony do części tylnej przysadki Dzieki tym połączeniom (w tym zwł z neuronami przedzwojowymi układu autonomicznego oraz z przysadką) tworzy się zasadnicza struktura dzięki której następuje skoordynowana reakcja motoryczna ekspresji emocji. (doświadczenia Barda z chirurgicznym uszkodzeniem mózgu wywołującym sham rage i Hessa ze elektryczną stymulacją struktur podwzgórza) Układ limbiczny (zob. niżej) Układ limbiczny (we współczesnym rozumieniu zob. dalej)- to jakby druga oś emocjonalna (częściowo konwergująca na pierwszej zob. wyżej) j- ma także liczne połaczenia do i od. (zob. niżej). 5/43

6 Odczucie określonego stanu emocjonalnego jest ściśle związane nie tylko z aktywnością układów emocji w mózgu ale również z inputem z narządów wewnętrznych i czucia somatycznego. (Koncepcja James a i Lange a z początku XXw. zakładała, że emocje to tylko odczucie wewnętrznych stanów narządów np. kołatanie serca, pocenie itd.) Autonomiczny układ nerwowy można uznać za jeden z najważniejszych efektorowych struktur ekspresji emocji (ale z uwagi na obustronność relacji trzeba podkreślić, że uzyto cudzysłowu w słowie efektorowy ) Przykład obustronności związku emocjonalnego umysłu i ciała: Wyobrażenie stanu emocjonalnego obwodowe zmiany emocjonalne (np. wzrost akcji serca, pocenie się itp.) techniki biofeedback, zdolności fakirów Instrumentalne (według instrukcji czysto mechanicznej) wytwarzanie emocjonalnego wyrazu twarzy obwodowe zmiany emocjonalne (zgodne z mimiką) aktor może znacznie głębiej wczuwać się w rolę Wywołanie ekspresji totalnej agresji-wściekłości ( sham rage ) u zwierzęcia Usunięcie półkul mózgowych z pozostawieniem podwzgórza wywołuje sham rage Podobne rezultaty daje dodatkowe (oprócz kory mózgu) usunięcie przedniej części podwzgórza Jeśli dodatkowo i tylna część podwzgórza jest usunięta nie ma efektu w postaci sham rage Rola układu limbicznego w ekspresji emocji: Układ limbiczny definiowany jest róznie. Układ limbiczny w klasycznym rozumieniu obejmuje: ciała suteczkowate, sklepienie, zakręty obręczy i parahipokampalne wraz z hipokampem. Ponadto wg Papeza jądro przednie-grzbietowe wzgóza. Obwód Papez a [1937] - tradycyjnie wiązany z kontrolą emocji, obecnie bardziej upatrujemy jego role w obsłudze (konsolidacji) pamięci i uczenia się. (przykładowo: uszkodzenie fornir powoduje zaburzenia pamięci, martwicze zmiany z c.suteczkowatych charakteryzujące tzw. zespół Korsakoff a charakteryzuja się ciężkimi zaburzeniami pamięci) Obwód papez a obejmuje zamykające się w koło połączeń nastepujące struktury: Hipokamp (fornix)- c.suteczkowate (tr.mammillothalamicus)- j.przednie wzgórza- (włókna projekcyjne do zakrętu obręczy)- zakręt obręczy - (włokna projekcyjne z zakretu obręczy dio hipokampa) - hipokamp Zesp. Korsakoff a- związany z alkoholizmem i niedoborem witaminy B1 (typowo zaburzeniom pamięci towarzyszą tzw. konfabulacje oraz zaburzenia okoruchowe) 6/43

7 UKŁAD LIMBICZNY w rozumieniu współczesnym obejmuje następujące główne składowe wraz z łączącymi ich szlakami włókien: - Formacja hipokampa (obejmująca: hipokamp, zakręt zębaty, kore podkładki-subiculum) - Ciała migdałowate - Obszar przegrody-septum (septal area, ludzi wystepuje jedynie tzw. ventral septal area z diagonalnym pasmem Broca) - Kora przedczołowa - Zakręt obręczy - Ponadto szczególne formacje substancji szarej (jadra) powiązane z w/w strukturami: t.j. n.accumbens, substantia innominata (z j. Meynerta), j. Łożyskowe prążka krańcowego. (plus niektórzy doliczają Podwzgórze i powiązaną funkcjonalnie substancję szarą okołowodociagową) Układ limbiczny (część emocjonalna ) w rozumieniu współczesnym: 1. Zakręty nadoczodołowe oraz przyśrodkowa kora przedczołowa 2. Brzuszna część jąder podstawy (gł. n.accumbans) 3. Przyśrodkowo-grzbietowe (n.mediodorsalis) jądro wzgórza 4. Ciało migdałowate 5. Zakręt obręczy 6. Część podwzgórza (szczególnie 1,2,3,4 tworzą układ silnych połączeń) UWAGA: Do układu limbicznego zalicza się jak wymieniono wyżej zakręt parahipokampalny z hipokampem oraz ciała suteczkowate podwzgórza i sklepienie, ale ich związki z kontrola emocji są mniejsze (a nawet przez niektórych negowane) Zespół Klüver-Bucy zaobserwowany u małp po wycięciu obu płatów skroniowych Małpy wykazywały agnozję wzrokową, (choć nie były ślepe), nadaktywność (szczególnie seksualną i w eksploracji otoczenia typowo z udziałem ust), stawały się całkowicie potulne bez lęku przed człowiekiem i wężem, obojętne na cokolwiek było z nimi robione. Później okazało się, że wystarczy usunąć ciała migdałowate (John Downer [50-te] ) po usunięciu 1 c.migdałowatego małpie i po przecięciu włókien komisuralnych oraz skrzyżowania n.wzrokowych zaobserwował, że gdy małpie pozwolono używać 1 oka od strony usuniętego c.migdałowatego zachowywała się bez emocji na widok człowieka, gdy oglądała człowieka okiem od strony nieuszkodzonego c.migd. wykazywała typową agresję. Agresywnie reagowała jednak na bodźce czucia somatycznego niezależnie od strony drażnionej. Połączenia c.migdałowatego z przedczołowa korą dają dostęp m.in. do kognitywnych ośrodków mózgu co integruje emocjonalne znaczenie bodźców: Część afektywno-emocjonalnej drogi przewodzenia bólu obejmuje c.migdałowate N.parabrachialis wysyła aksony do c.migdałowatego i podwzgórza ( ośrodki emocji i motywacji) oraz do substancji szarej okołowodociągowej, która odgrywa rolę w kontroli aktywności szlaków bólu. Ponadto n.parabrachialis bierze też udział w kontroli oddychania (wzmożenie w strachu). Ciało migdałowate i jego połączenia: Grupa przyśrodkowa jąder c.migdałowego ma połączenia z opuszką węchową i korą węchową Grupa podstawno-boczna ma połączenia z korą przedczołową (zakręty oczodołowe i przyśrodkową), asocjacyjną korą przedniej części płata skroniowego oraz z brzuszną częścią jąder podstawy i n.mediodorsalis thalami. Grupa centralna ma połączenia z podwzgórzem, pniem mózgu (m.in. z dopaminergiczną tzw VENTRAL TEGMENTAL AREA, noradrenergicznym n.l. coeruleus, oraz z n.parabrachialis, n.tr.solitarius) Stria terminalis łączy c.migdałowate z podwzgórzem Ponadto połączenie to zapewnia również tzw. ventral amygdalofugal pathway) Ciało migdałowate odgrywa kluczową rolę w nadawaniu znaczenia emocjonalnego bodźcom czuciowym 7/43

8 LeDoux (1996): dwie drogi docierania informacji czuciowej do ciała migdałowatego: Niska droga bezpośrednio ze wzgórza (szybka, lecz zgrubna, zanim pomyslisz ) Gdy ktoś cię uderzy, bez namysłu walniesz w pysk Wysoka droga pośrednio przez korę (wolniejsza, lecz precyzyjna, rozważna, świadoma) (być może) oddasz drugi policzek? Aktywacja ciał migdałowatych w związku ze strachem: Świadoma (wzgórze-kora-c.migdałowate) Nieświadoma (wzgórze-c.migdałowate) Badania Vuilleumeir i wsp na osobach z zespołem zaniedbywania (uszkodzenie prawego płata ciemieniowego) aktywacja c.migdałowatego również po stronie extinct Badania nad osobami z uszkodzeniem kory wzrokowej wskazują m.in. na tzw. blindsight (ślepowidzenie), w tym emocjonalne affective blindsight dotyczące bodźców strachu (de Gelder 2005) Rola układów monoaminergicznych w mediacji emocji Na bardzo ważna rolę układów monoaminergicznych wskazują m.in. emocjonalne efekty różnych substancji np.: Yohimbina (kora drzewa z Pd Afryki) antagonista alfa-2-receptora noradrenergicznego prowadzi w części zwierząt do reakcji panicznych ponieważ wzmaga wydzielanie noradrenaliny poprzez zablokowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego regulującego uwalnianie norepinefryny (NE), którego istotnym elementem jest presynaptyczny receptor alfa-2. Odwrotnie działa clonidyna będąca agonistą receptora noradrenergicznego alfa-2. Rezerpina obniżająca poziom monoamin wywołuje depresję Leki podwyższające poziom monoamin są lekami przeciwdepresyjnymi W stanach depresji obserwuje się obniżenie ilości metabolitów NE (3-metoxy-4-hydroksyfenyloglikol MHPG) i serotoniny (kwas 5-OH indolooctowy 5-HIAA) Redukcja poziomu serotoniny może być istotna w zachowaniach impulsywnych w tym w próbach samobójczych. W depresji obserwuje się zmniejszenie aktywności zarówno układów noradrenergicznych jak i serotoninergicznych Główne ośrodki monoaminergiczne grające rolę w emocjach: Locus coeruleus Norpinefryna Jądra szwu serotonina Ventral tegmental area oraz s.nigra - dopamina AGRESJA (mediowana m.in. przez c. migdałowate) decyduje o pozycji w grupie zwierząt (Dośw. Pribram a z lat 50-tych po usunięciu c. migdałowatego u dominującej małpy jej pozycja spadała) Próby operacyjnego leczenia (przy okazji również padaczki) agresji poprzez uszkodzenie c.migdałowatego. Tzw. psychochirurgia (Egas Moniz Nobel 1949 r.) W agresji obserwuje się spadek aktywności serotoninergicznej (podobnie jak w depresji) Agresja nie koreluje z pozycją w grupie (usunięcie samca dominującego u małp prowadzi do przejęcia dominacji przez samca o sztucznie podwyższonej aktywności serotoninergicznej co oznacza samca mniej agresywnego!) Typy agresji: Agresja efektywna - Predatory aggression ( silent-biting ) Cel zdobycie pożywienia Cechy: brak wokalizacji, małe zaangażowanie układu sympatycznego System: boczne podwzgórze medial forebrain bundle Ventral Tegmental Area Agresja afektywna - Affective aggression Cel na pokaz 8/43

9 Cechy: wokalizacje, znaczna aktywacja układu sympatycznego System: przyśrodkowe podwzgórze fasciculus longitudinalis dorsalis periaqueductal gray matter (PAG) Ciało migdałowate uczestniczy w nadaniu emocjonalnej wartościowości (emotional valence) bodźcom czuciowym oraz w asocjatywnym uczeniu się (opartym na warunkowaniu jest to prawdopodobnie równoważne tzw. pamięci emocjonalnej) Asocjatywne uczenie oparte na koincydencji bodźców (wg modelu Hebb a) zachodzi w c.migdałowatym o czym świadczy obecność LTP oraz blokowanie nauczania w reakcji warunkowanego strachu poprzez podanie antagonistów receptora NMDA Systemy emocjonalne mózgu ssaków wg Jaak Panksepp a (2006) Od urodzenia: SEEKING (POSZUKIWANIE) FEAR (STRACH) c.n. amygdala - PAG RAGE (WŚCIEKŁOŚĆ) PANIC (PANIKA) Nieco później: LUST (RZĄDZA) CARE (OPIEKUŃCZOŚĆ) PLAY (ZABAWA WESOŁOŚĆ) STRACH: W ekspresji strachu bierze udział corticotropin-releasing hormone (CRH), wytwarzany (oprócz podwzgórza) przez komórki centralnego jądra c.migdałowatego. Podawanie dokomorowe CRH wywołuje reakcje lękowe u zwierząt Blokowanie receptora CRH uniewrażliwia na reakcje lękowe Do obwodów strachu (fear circuitry) zalicza się: c.migdałowate, locus ceruleus, kora przedczołowa, hipokamp, kora czuciowa, wzgórze. (z kolei do obwodów nagrody tzw. reward circuitry nie uwzględnionego jako osobny system przez Pankseep a, zalicza się, Ventral tegmental area, n.accumbens, c.migdałowate i korę przedczołową,) Choroba Urbach-Wiethe - dziedziczna (autosom.reces.): agnozja emocjonalna (rozpoznawanie emocji z twarzy) Zwapnienia i zniszczenie c.migdałowatego (Chora o inicjałach S.M. badana w latach 90-tych przez grupę Antonio Damasio z Uniw. Iowa) Zwapnienia w c.migdałowatym agnozja emocjonalna nie rozpoznawanie (w tym przypadku negatywnych) emocji z twarzy UWAGA! Chorzy z chorobą Urbach-Wiethe nie mają problemów z rozpoznawaniem twarzy jako takiej (nie mają cech prozopagnozji) a jedynie z rozpoznawaniem emocjonalnego wyrazu strachu na twarzy! Prawidłowo rozpoznają też pozytywne emocje na twarzy. Asymetria emocjonalna półkul mózgowych: W rozpoznawaniu i ekspresji emocji różny jest udział lewej i prawej półkuli mózgu. Półkula prawa odgrywa większą rolę w percepcji emocji werbalnej (emocjonalny ładunek mowy) uszkodzenie tylnej części prawego płata czołowego i przedniej płata ciemieniowego prowadzi do tzw. aprozodii czyli mowy bez emocji (po stronie lewej uszkodzenie tego samego obszaru prowadzi do afazji Broca) Półkula lewa ośrodkiem pozytywnych emocji, półkula prawa negatywnych Prawa półkula lepiej rozpoznaje przejawy emocji na twarzy (np. Przy ekspozycji fotografii twarzy) Również ekspresja emocji na twarzy jest szybsza po lewej stronie (a zatem zarządzanej przez prawą półkulę). Stąd sugestia, że większość ludzi jest lewotwarzowa (analogia choć przeciwstronna do praworęczności ) Obserwacja twarzy (w tym ekspresji emocji) szczególnie silnie angażuje ciała migdałowate Aktwacja amygdali w teście oceny wiarygodności obserwowanej twarzy. 9/43

10 Aktywacja c.migdałowatych jest tym większa im obserwowana przez badanego twarz na fotografii mniej budzi zaufania (implicitely) jak też gdy zadaniem (explicit) jest ocena wiarygodności obserwowanej twarzy. Ekspresję emocji staramy się często ukryć z powodów kulturowych lub z lęku przed ujawnieniem wstydliwej prawdy o sobie (np. przestępcy). Future Attribute Screening Technology (FAST) to technologia mająca być wykorzystana do rozpoznawania terorystów na lotniskach a bazująca na detekcji i analizie różnych parametrów związanych z ekspresją stanów emocjonalnych. Emocje: podsumowanie i osobista konstatacja Podwzgórze i układ limbiczny to najważniejsze struktury, o których można powiedzieć, że biora udział w kontroli i ekspresji emocji ale zwłaszcza mając w pamięci troisty mózg Paula MacLeana, właściwie cały ten narząd jest emocjonalny. Emocjonalnośc podobnie jak świadomość jest cechą emergentną i trudno jednoznacznie określić co kierujekontroluje a co jest kierowane-kontrolowane. Emocjonalność jest bardziej wszechobecną właściwością działania OUN niż świadomość i wszelkie jej przejawy, ponieważ dotyczy zarówno świadomej jak i nieświadomej czynności OUN. Wszystko ma barwę emocjonalną choć nie zawsze jawną (ujawnioną). Do zastanowienia: Serce jest synonimem emocjonalności a jednocześnie synonimem sumienia ( głosu sumienia ) a zatem czegoś co niekiedy nakazuje postepować niezgodnie z rozumem (tu w znaczeniu chłodnej kalkulacji ). Czy dlatego serce może najgłębiej wyznaczać kwintesencję człowieczeństwa? Czy cała nasza duchowość nie jest po prostu przejawem rozumowej interpretacji pewnych stanów emocjonalnych (zob. też rozdział o neuroteologii ) 10/43

11 3.Pamięć, uczenie, kora asocjacyjna, kognicja: NEUROBIOLOGICZNE PODSTAWY PAMIĘCI Franz Josef Gall (twórca frenologii) w XIX w. uważał, że każdy z fakultetów mózgu ( władz umysłowych ) posiada własny rodzaj pamięci. Psycholog William James pod koniec XIX w. wprowadził m.in. istotne rozróżnienie między pamięcią świeżą i pamięcią długotrwałą (wprowadził też pojęcie strumienia świadomości ). Pierwsza połowa XX w. w dziedzinie badań nad pamięcią została zdominowana przez koncepcje redukcjonistyczne, które sprowadzały pamięć do mechanizmów asocjacyjnych i oparte były także na behawioralnym podejściu do psychologii. W latach 60 i 70-tych ugruntowało się przekonanie, że są różne typy pamięci, które realizowane są przez różne wyodrębnione układy w mózgu NIE ISTNIEJE POJEDYNCZY UNIWERSALNY SYSTEM LUB MECHANIZM PAMIĘCI NATOMIAST LICZNE I RÓŻNE UKŁADY POSŁUGUJĄ SIĘ RÓŻNYMI MECHANIZMAMI PAMIĘCI Kliniczny obraz różnych typów chorób otępiennych rzuca światło m.in. na mechanizmy pamięci i funkcji kognitywnych mózgu. Np. choroba Alzheimera początkowo manifestuje się głównie zaburzeniami tzw. pamięci deklaratywnej i pamięci świeżej (hipokamp) natomiast choroba Huntingtona, dotyka głównie pamięci tzw. proceduralnej (obwody korowo-prążkowiowe) Stadia choroby Alzheimera początkowe dostrzegalne zmiany dotyczą kory śródwęchowej, której neurony (IIw) tworzą główne drogi doprowadzające hipokampa AMNEZJA WSTECZNA I NASTĘPCZA (przyczyny): Zamknięcie obu tętnic tylnych mózgu (brak ukrwienia przyśrodkowej części pł. Skroniowch, zwł. hipokampa) Guzy obszaru środkowego (zniszczenie obustronne części przyśrodkowej wzgórza) Uraz, chirurgiczne wycięcie obustronne przyśrodkowego pł skroniowego (chory H.M.) Infekcje (HSV-encephalitis) j.w. Niedobór Vit. B1 (zespół Korsakoff a) (uszkodzenie c.suteczkowatych i przyśrodkowego wzgórza) Leczenie elektrowstrząsami (miejsce uszkodzenia niejasne). PAMIĘĆ KRÓTKOTRWAŁA (STM) I DŁUGOTRWAŁA (LTM) (William James k.xix) Pamięć długotrwała (LTM, odległa): zachowuje engramy doznań przez bardzo długi czas. Jest uszkodzona w wyniku amnezji ale odporna na anestetyki Relacje STM i LTM nie są jasne (dwie możliwości) LTM jest wynikiem tzw. Konsolidacji STM, LTM jest wynikiem selekcji STM USZKODZENIE: Nie tylko uszkodzenie hipokampa wywołuje zaburzenia pamięci. Główna projekcja wychodząca z hipokampa poprzez sklepienie dociera do ciał suteczkowatych, mających połączenia z jądrami przednimi wzgórza (tractus mammillothalamicus). Kora skroniowa i c.migdałowate maja połączenia z jądrem grzbietowo-przyśrodkowym wzgórza. Obustronne uszkodzenia tych struktur wywołują różne zaburzenia pamięci ale tylko łączne ich uszkodzenie wywołuje ciężkie zaburzenia pamięci niekiedy zbliżone do pacjenta H.M. W zespole Korsakoffa (amnezja wsteczna i następcza) uszkodzenie dotyczy c.suteczkowatych i jąder grzbietowo-przyśrodkowych wzgórza na skutek niedoboru wit B1 (w alkoholizmie) Uszkodzenie c.migdałowatego u zwierząt prowadzi do zaniku zdolności do nauczenia warunkowej reakcji strachu (po dźwięku następuje szok elektryczny zwierzę reaguje złożoną reakcją układu autonomicznego, hormonalnego i objawami behawioralnymi strachu) (zaburzenie pamięci emocjonalnej ) Cohen i Squire w 1980 wprowadzili rozróżnienie: pamięci proceduralnej i pamięci deklaratywnej uważając, że są one realizowane przez osobne układy w mózgu. 11/43

12 Jeden z tych układów (można nazwać proceduralnym ) jest odpowiedzialny za tworzenie i doskonalenie zdolności zręcznościowych. Pamięć rozłączona (w całości lub częściowo rozłączona) ze świadomością ( nieświadoma ) różne układy i sekwencje warunkowane (przykład nauki gry w piłkę, gry na fortepianie) Drugi z układów ( deklaratywny ) odpowiada za kodowanie, magazynowanie i przywoływanie faktów i wydarzeń. Pamięć polegająca na zdolności do przypomnienia-przywołania zdarzeń nie pozostających w prostej kontynuacji bieżącej świadomej obserwacji mijających chwil i zdarzeń w tych chwilach Daniel Schacter wprowadził zasadniczo kompatybilne do powyższych pojęć Cohena i Squire pojęcia implicit (p.proceduralna) i explicit (p.deklaratywna) ekspresji pamięci. Pamięć deklaratywna ( explicit ) mieści się (jest krytycznie związana z) w przyśrodkowym obszarze płata skroniowego oraz w centralnych obszarach międzymózgowia (diencencephalon) Pamięć proceduralna ( implicit ) jest związana z różnymi układami mózgu wyspecjalizowanymi w różnych funkcjach poznawczych i motorycznych KATEGORIE JAKOŚCIOWE PAMIĘCI: Pamięć deklaratywna (cz.przyśrodkowa pł. skroniowych Zdarzenia Słowa i ich znaczenie Historia Pamięć nie-deklaratywna (raczej niezależna od pł skroniowych (cz. Przyśrodkowej) Zręczności ruchowe Asocjacje (kojarzenia) Priming cues(to co uprzednio poznalismy wpływa na odbiór następnych informacji) Puzzle-solving skills Podział na typy pamięci i wzajemne relacje podtypów jest wynikiem dokonanych eksperymentów jak również ciągle przedmiotem badań i dyskusji KATEGORIE CZASOWE PAMIĘCI: Pamięć natychmiastowa immediate memory: (ułamki sekund-sekundy) śledzenie rzeczywistości on-line Bardzo duża pojemność Prawdopodobnie osobne rejestry dla różnych typów doznań (wzrokowe, słuchowe, dotykowe, itd.) Pamięć robocza - working memory: (sekundy-minuty) (niekiedy utożsamiana z pamięcią krótkotrwałą = świeżą) ograniczona pojemność, utrzymuje się przez krótki czas, ulega osłabieniu przez nowe zdarzenia, zaburzana przez anestetyki i oziębienie mózgu ale nie jest zaburzona w amnezji Ujawnia się np. w przebiegu poszukiwania klucza (np.pamiętanie co już zostało przeszukane) Powtórzyć serię liczb (standard 7-9 liczb) Jednym z istotnych elementów tej pamięci jest tzw. Pętla fonologiczna (wymaga aktywności lewej półkuli; zapewnia zrozumienie dźwięków tworzących wyrazy i zdania, dzięki czemu rozumiemy mowę) oraz pętla wzrokowo-przestrzenna (prawa półkula) Pamięć długotrwała: (dni-lata) Niektórzy wyróżniają również pamięć przelotną albo ikoniczną trwałą zaledwie mniej niż sekundę jest to zatem tożsame pojęcie albo bardzo zbliżone do pamięci natychmiastowej Pamięć filogenetyczna (wrodzona): Przykład ptaków których pisklęta reagują na kształt rzeczywistego jak i udawanego drapieżnika Skąd wiadomo, że kora mózgu jest odpowiedzialna za deklaratywną pamięć długotrwałą?? : Leczenie elektrowstrząsami powoduje amnezję wsteczną (od kilku dni nawet do lat) i następczą. (U podstaw zastosowania elektrowstrząsów był m.in. fakt, że zauważono, że spontaniczne ataki padaczki poprawiają stan u chorych z depresją) Kora mózgu jest strukturą uszkadzaną głównie w tej metodzie (najprawdopodobniej w mechanizmie ekscytotoksycznym) stąd wniosek, że długotrwała pamięć jest realizowana w korze mózgu. -Potwierdzono to u szczurów w testach z labiryntem wodnym. Zniszczenie obszaru górnego płata skroniowego powoduje utratę rozumienia słów (afazja). (Kora asocjacyjna odpowiedzialna za łączenie określonych dźwięków ze znaczeniem leksykalnym) Uszkodzenie płata ciemieniowego powoduje utratę zdolności rozpoznawania przedmiotów i/lub twarzy. 12/43

13 Badania fmri (BOLD) pokazują, że istnieją określone obszary kory aktywowane wzrokowo tymi samymi klasami obiektów (np.. Krzesła, twarze, domy) i to zarówno obrazem jak i myślową wizualizacją tego samego obrazu) Trenowanie pamięci roboczej: Zapamiętywanie informacji bez znaczenia jest ograniczone (7-9 liczb np.) ale może być znacznie wzmocnione po treningu (nawet do 80 cyfr) poprzez tworzenie asocjacji (nadawanie znaczeń) Znawca np. szachów znacznie więcej pozycji figur zapamiętuje niż profan gdy dotyczy konkretnego realnego ustawienia z określonej gry a nie przypadkowego bezsensownego Przykłady mnemonistów ( pi do miejsc) Alexander Aitken, Arturo Toscanini Ogromne możliwości zapamiętywania czegokolwiek jeśli jest motywacja i zainteresowanie dyscypliną wiedzy, sportu etc Zespół Savanta ( Idiot savant ): osoba z uszkodzeniem mózgu i głębokim ogólnym upośledzeniem lecz z niezwykłymi szczególnymi zdolnościami (szczególnie językowymi). ( Rain Man z Dustinem Hoffmanem) UCZENIE SIĘ: Proces uczenia jest ściśle związany (o ile nie polega nawet) na wzmocnieniu siły ( wagi ) synaps. Niektóre synapsy ulegają wzmocnieniu gdy oba tworzące je neurony ulegają jednoczesnemu pobudzeniu a zatem wymagają zaistnienia asocjacji (są to tzw. Synapsy Hebba Donald Hebb Kanad. Psycholog 1949) Cells that fire together, wire together Synapsy te są tzw detektorami równoczesności Szczególna rolę gra tzw. Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne (long-term potentiation LTP, trwające wiele godzin a nawet dni), które może być zarówno asocjacyjne jak i nieasocjacyjne. Uczenie (się) badania na modelach kręgowców Rola LTP: Zjawisko LTP najczęściej jest badane w synapsach miedzy piramidalnymi neuronami CA1 i CA3 hipokampa. Polega ono na wzroście efektywności przewodzenia syaptycznego po tężcowej stymulacji krótkotrwałym bodźcem elektrycznym z wysoką (100Hz) częstotliwością włókien aferentnych neuronów pola CA3 (włókna Schaffera). Efektem jest to, że pojedynczy bodziec po uprzedniej tetanizacji wywołuje wyższy EPSP. Również długotrwałe osłabienie synaptyczne (LTD) jest elementem uczenia Bliss i Lomo w 1973 wykazali LTP w synapsach między włóknami przeszywającymi i neuronami fascia dentata. Układ hipokampa Układ połączeń hipokampa: Wejście pobudzające z kory entorinalnej (śródwęchowej) dociera tzw. Drogą przeszywającą do dendrytów komórek ziarnistych zakrętu zębatego. Włókna komórek ziarnistych (aksony) z.zębatego projektują do komórek piramidalnych hipokampa (pole CA3). Aksony komórek z pola CA3 docierają do CA1 (tzw. kolaterale Schaffera tworzące synapsy na komórkach pola CA1) oraz do komórek podwzgórza i do przeciwstronnego hipokampa. Aksony komórek z pola CA1 tworzą synapsy z neuronami kory śródwęchowej. W całym tym obwodzie dominuje Glu chociaż są też modulujące synapsy GABA-ergiczne, cholinergiczne naradrenergiczne i serotoninergiczne. Aksony kom.ca3 poprzez włókna spoidłowe docierają także do hipokampa po drugiej stronie. Włókna eferentne wychodzą też przez sklepienie (fornix) w kierunku podwzgórza i wzgórza. Warunki dla LTP: Napływ Ca2+z Jednoczesna depolaryzacja i stymulacja kolaterali Schaffera bodźcem o niskiej częstotliwości nie spełnia warunku wystarczającej depolaryzacji i uwolnienia blokady magnezowej (za mało otwartych kanałów receptorowych AMPA (Ca2+) Podawanie MK-801 (antagonisty NMDA) blokuje LTP co jest jednym z dowodów na rolę NMDAR w LTP. 13/43

14 Cechy LTP: 1) Współdziałanie (Cooperativity) Prawdopodobieństwo wywołania LTP wzrasta wraz ze zwiększeniem liczby włókien aferentnych Schaffera stymulowanych tetanicznie 2) Specyficzność wejścia (Input specificity) LTP pojawia się tylko w synapsach, które podlegały tetanicznej stymulacji 3) Asocjacyjność (Associativity) Ponieważ kolaterale Schaffera docierają do neuronów CA1 również z drugiego hipokampa (włókna spoidłowe) oba systemy włókien konwergują na neuronach CA1 ale jeden ma słabe oddziaływanie (nieliczne włókna) a drugi (z tej samej strony) silne (liczne włókna). Tetaniczne drażnienie słabej (w przeciwieństwie do silnej ) drogi włókien nie wywołuje LTP. Jeśli jednak istnieje asocjacja czasowa stymulacji obu dróg (tetaniczne drażnienie zarówno słabej jak i silnej drogi czyli włókien Schaffera z obu stron) pojawi się LTP na synapsach z obu stron ( słabych i silnych ). Warunkiem jest aby oba wejścia były jednocześnie pobudzone tetanicznie. Najważniejszym mechanizmem LTP jest prawdopodobnie wzrost liczby AMPA-R ale są też inne mechanizmy LTP CZEGO NIE WIADOMO O LTP? Nie jest do końca jasna rzeczywista funkcja LTP (czy na pewno pamięć?) U zwierząt transgenicznych, u których nie dochodzi do LTP w hipokampie pomiędzy włóknami przeszywającymi i kk.ziarnistymi zakrętu zębatego nie ma zaburzeń w nawigacji przestrzennej (ale być może te synapsy nie mają związku z tym rodzajem pamięci???) Czy mechanizm dotyczy neuronu postsynaptycznego czy też (również) presynaptycznego (np. Wzrost ilości pęcherzyków)? Które z obserwowanych zjawisk można definiować jako LTP (obecnie szeroka definicja mówi o każdym przypadku gdzie synapsa staje się mocniejsza w wyniku uprzedniej aktywności)? Czy na pewno rezultaty eksperymentów na płatach wyciętego hipokampa wskazujące na istnienie LTP pokazują coś, co jest faktycznie w żywym mózgu in situ? POMIMO TEGO: Tężcowa stymulacja jednak nie jest czymś sztucznym bo występuje również naturalnie ; Różne manipulacje ograniczające LTP powodują osłabienie uczenia MK-801 utrudnia uczenie (co jednak nie wyklucza, że ten efekt może nie mieć związku z blokadą receptora NMDA ale z jakimś innym mechanizmem!) Komórki miejsca wyładowują zgodnie z rytmem theta EEG, (4-10Hz) widocznym przy nauce w labiryncie i odzwierciedlającym aktywność hipokampa (inne komórki milczą ). Stymulacja naśladująca rytm theta pomaga w uczeniu. Mechanizmy uczenia się: 1.Nieasocjacyjne (habituacja lub sensytyzacja): Habituacja (osłabianie reakcji na wielokrotnie powtarzany bodziec, najprawdopodobniej towarzyszy jej m.in. eliminacja synaps) Dyshabituacja (odtworzenie uprzednio zredukowanej zhabituowanej odpowiedzi pod wpływem silnego bodźca) Sensytyzacja (zwiększenie reakcji na bodziec pojawiający się tuż po silnym bodźcu awersyjnym, związana z tworzeniem nowych synaps) 2.Asocjacyjne (odruchy warunkowe) Bodźce mogą być: Typu NAGRODY ( appetitive ) lub Typu KARY ( aversive, fear ) ASOCJACYJNE UCZENIE SIĘ klasyczne; (poprzez odruchy warunkowe) Bodziec bezwarunkowy reakcja bezwarunkowa np. widok pokarmu i wydzielanie śliny. Jeżeli bodziec bezwarunkowy jest bólowy nazywamy go awersyjnym (warunkowanie awersyjne) 14/43

15 Bodziec warunkowy (conditioned stimulus) musi poprzedzać bodziec bezwarunkowy (np. dzwonek przed podawaniem jedzenia) Wytworzona reakcja (warunkowa) np. wydzielanie śliny po dzwonku Bodziec warunkowy i bezwarunkowy muszą być blisko w czasie (zasada koincydencji) a b.warunkowy musi poprzedzać b.bezwarunkowy Reakcja warunkowa ulega stopniowemu wygaszeniu po zaprzestaniu występowania bodźca bezwarunkowego (także po wydłużeniu czasu pomiędzy bodźcami) ASOCJACYJNE INSTRUMENTALNE: tzw. instrumentalne odruchy warunkowe (np. naciśnięcie dźwigni aby dostać cukierek - bodziec wzmacniający) Klasyczne warunkowanie wg Pawłowa. Obecnie zwraca się uwagę nie tyle na istnienie czasowej ciągłości bodźca warunkowego i bezwarunkowego ale na fakt, że pomiędzy tymi bodźcami istnieje związek INFORMACYJNY! Bodziec warunkowy w procesie warunkowania nabiera cech sygnału niosącego informację! PAMIĘĆ DEKLARATYWNA Pamięć deklaratywna ( explicit ) jak wskazują przypadki amnezji po uszkodzeniu przyśrodkowych okolic płatów skroniowych u ludzi pozwala na zachowywanie i świadome przypominanie faktów i wydarzeń. Pamięć deklaratywna pozwala też na wyciąganie uogólnień oraz implikacji (inferrences) z zapamiętanych faktów, co jest nieodzowne i jednocześnie charakterystyczne dla ekspresji pamięci deklaratywnej. Pamięć deklaratywna ( explicit ) związana z hipokampem jest (na podst. badań na zwierzętach) szybko nabywana i napędzana raczej ciekawością a nie systemem kara-nagroda i dotyczy głównie przestrzennego poznawania (spatial cognition). Struktury odpowiedzialne za p.deklaratywną: pola asocjacyjne neocortex, oraz dla p. epizodycznej kora przedczołowa, dla p.semantycznej zwł. przedni lewy płat skroniowy, korowe obszary sąsiadujące z hipokampem i hipokamp. Wiedza semantyczna: Jest to zorganizowany zasób informacji niezależny od epizodycznych zdarzeń (episodic representations), które tworzyły ten zasób. Prawdopodobnie engramy pamięci dotyczące podobnych pojęć mają osobne lokalizacje (przypadki chorych dobrze przypominających owoce ale kiepsko warzywa) Mózg tworzy zhierarchizowane obszary odrębne dla poszczególnych pojęć (np. rośliny, zwierzęta, pojazdy, rzeki, meble etc) podobnie jak zhierarchizowana jest nasza wiedza semantyczna. Badania wykazały, że przypominanie obiektów należących do dwóch różnych pojęć takich jak narzędzia i zwierzęta oprócz aktywowania kory środkowego zakrętu skroniowego łączyło się z aktywacją w przypadku narzędzi lewej kory przedruchowej (te same obszary aktywowało wyobrażanie manipulacji narzędziami u praworecznych), w przypadku zwierząt z aktywacją kory przyśrodkowej potylicznej (związanej z przetwarzaniem obrazów). Prawdopodobnie tworząc nową kategorię (pojęcie) mózg tworzy (przyporządkowuje) osobne miejsce? COŚ (układ, moduł, mózg, umysł) w nas stale organizuje napływającą nieprzerwanie rzekę informacji czyli faktów lub zdarzeń, które są zintegrowanymi i przetworzonymi zbiorami impulsacji czuciowej Piksele z obrazu na siatkówce tworzą reprezentacje np. określonych liter w korze wzrokowej, w innych obszarach są integrowane w wyrazy, następnie w zrozumiałe zadania, pojęcia itd. Organizacja opiera się głównie na kojarzeniu wspólnych elementów. Organizacja tej rzeki informacji pozwala na odtwarzanie (przypominanie) faktów i ich znaczeń. Przykładowe modele testowania pamięci deklaratywnej u zwierząt (zwierzę nie może tak po prostu odpowiedzieć na pytanie ) Pamięć deklaratywna ( explicit ) - test dla małp naczelnych Visual paired comparison task: Zwierzętom prezentuje się dwa jednakowe obrazki. Zapamiętanie ocenia się na podstawie czasu fiksacji wzroku na zmienionym obrazku (zmiana obrazu następuje po różnym okresie czasu) 15/43

16 Delayed non-matching-to-sample task dobieranie nie według wzoru : Zwierzę ma po różnym czasie (w tym czasie nie widzi żadnych innych obiektów) rozpoznać nowy obiekt (kulę). Nagrodą jest smakołyk. Zwierzęta po uszkodzeniu przyśrodkowych struktur skroniowych (zwłaszcza okolic śródwęchowych i parahipokampalnych) źle wykonują test chociaż np. mają nie osłabione funkcje uczenia się zręczności (np. wyciągania cukierka przy pomocy zagiętego pręta) Pamięć deklaratywna ( explicit ) u gryzoni The Morris water maze test (labirynt wodny Morrisa): Nieprzezroczysta woda ukrywa znajdującą się tuż pod jej powierzchnią platformę umożliwiającą mu ratunek (nie musi pływać gdy na niej stanie), którą szczur uczy się odnajdywać na podstawie obiektów znajdujących się na zewnątrz baseniku śr 1,3 m (różne przedmioty rozmieszczone w pokoju w którym są przeprowadzane testy). Szczury z uszkodzonym hipokampem mają słabe wyniki testu, chociaż mają bardzo dobre wyniki w opanowaniu pływania do platformy widocznej i umieszczanej w różnych miejscach kuwety. Podanie kolchicyny niszcząc część hipokampa po 12 tygodniach od zakończenia testów (uczenia) nie wywoływało różnic w porównaniu z kontrolą. (wcześniejsze podawanie kolchicyny niszczyło pamięć). Test of transitive inference czyli badanie zdolności wnioskowania cechy przechodniości tzn. Jeśli A>B i B>C to A>C (wg Piageta u dzieci wykształca się do 7 roku życia) Gryzonie uczą się na podstawie zestawów par różnych zapachów, który z zapachów w danej parze jest preferowany (związany z nagrodą-smakołykiem) Tzn A>B oznacza, że w piasku z zapachem A jest zagrzebana nagroda a nie jest zagrzebana w piasku oznaczonym zapachem B. Kolejne pary zapachowe, z jednym nagradzanym (symbol >) symbolicznie zapisujemy jako B>C, C>D, D>E. Test polega na wykoncypowaniu, że w parze B,D preferowany jest zapach B (transitive inference). Trzeba zauważyć, że w innych układach zarówno zapach B jak i zapach D może być i nie być nagradzany! Szczury z uszkodzeniem hipokampa uczą się prawidłowego wyboru w poszczególnych parach tak jak kontrolne ( zdrowe ) natomiast nie potrafią zupełnie kojarzyć (dostrzegać) przechodniości, którą kontrolne szczury zauważają. Social transmission of food preference task; Szczur testowany spotyka się z innym szczurem, który tuż wcześniej zjadł określone jedzenie. Szczur testowany wyczuwa zapach jedzenia w oddechu szczura demonstratora. Następnie (natychmiast oraz po 24 godz. ) szczurowi testowanemu przedstawia się szereg różnych pożywień, wśród których znajduje się to, które jadł demonstrator. Normalny szczur preferuje to pożywienie zarówno natychmiast jak i po 24 godz. Szczur z uszkodzonym hipokampem preferuje również ale tylko w próbie natychmiastowej, natomiast po 24 godz. nie preferuje (zapomniał...) Tzw. place cells ( komórki miejsca )w hipokampie są aktywne, gdy zwierzę znajduje się w określonym przestrzennie miejscu (mają pole recepcyjne miejsca kodujące cechy i relacje otoczenia konkretnego miejsca).(testowane tzw. Labiryntami) Inne komórki wykazują impulsację związana z określonym miejscem a nawet z wyborem dalszej drogi. Przypuszcza się, że hipokamp (przynajmniej u szczurów) jest miejscem tworzenia map przestrzennych (map poznawczych) aktualizowanych ciągle pod wpływem uczenia się ( epizodycznego ) Badania Maguire i wsp 2000: tylna część hipokampa jest większa u londyńskich taksówkarzy i wzrasta proporcjonalnie do czasu pracy w miesiącach (Odzwierceidla wzrost orientacji w metropolii) Hipokamp jest odpowiedzialny za bardzo szybkie lub nawet natychmiastowe kodowanie zdarzeń i tworzenie reprezentacji epizodycznych. Ale to nie hipokamp jest trwałym miejscem deponowania reprezentacji epizodów ale kora, ponieważ uszkodzenie hipokampa nie niszczy pamięci epizodów dawnych. Hipokamp zatem tworzy reprezentacje epizodów i poprzez połączenia (wielokrotne) z korą umożliwia tworzenie w korze reprezentacji pamięciowych epizodów niezależnie od siebie (hipokampa) Pamięć proceduralna ( implicit ) Pamięć proceduralna jest najczęściej używana w codziennym życiu. Jest to długotrwała pamięć zręczności ruchowej, percepcyjnej i asocjacyjnej. 16/43

17 Używamy jej wykonując zwyczajowe prace, zręczności, adaptując ruchy stosownie do informacji czuciowych. Zazwyczaj ten rodzaj pamięci funkcjonuje niezależnie od świadomości. (Zwykle takie zdolności uznajemy jako coś oczywistego) Jednak w przypadku zaburzenia tej pamięci zmuszeni bylibyśmy szczegółowo przemyśliwać każdy ruch czy czynność. Pamięć proceduralna jest realizowana przez dwa anatomicznie i funkcjonalnie różne układy. Pamięć proceduralna dzieli się na dwa podtypy: Nabywanie zwyczajów i zręczności, różnych stereotypowych nieświadomych zachowań (odpowiedzialne: neostriatum) Dokonywanie specyficznych czuciowo-ruchowych adaptacji (np. na zmianę obciążenia) i doskonalenie odruchów (np. chwytu szklanki): odpowiedzialny: móżdżek Pamięć proceduralna jest wynikiem uczenia się: Nieasocjacyjnego (habituacja lub sensytyzacja) Asocjacyjnego (poprzez odruchy warunkowe) Pamięć proceduralna: podukład neostriatalny Nabywanie zwyczajów i zręczności, różnych stereotypowych nieświadomych zachowań Układ neostriatun prawie nie ma bezpośrednich połączeń z pniem i rdzeniem dlatego nie ma bezpośredniego wpływu na czynności motoryczne (tylko za pośrednictwem kory) Układ neostriatum obejmuje nabywanie stereotypowych zwyczajów i zręczności (jazda na rowerze, gra na pianinie) a jego centralnym realizatorem anatomicznym są jądra podstawy (prążkowie neostriatum Packard i Knowlton 2002). Neostriatum otrzymuje impulsację z kory i z kolei wysyła impulsy do innych jąder podkorowych oraz do wzgórza. Te jądra z kolei wysyłają impulsację do kory ruchowej i do kory asocjacyjnej przedczołowej. System ten wydaje się nie łączyć bezpośrednio z dolnymi motoneuronami! Pamięć proceduralna: podukład móżdżkowy Układ móżdżku: jest podukładem pamięci proceduralnej realizującym przystosowania czucioworuchowe oraz korekcję odruchów która potrzebna jest np. w sytuacji konieczności adaptacji do zwiększonego obciążenia. Centralną rolę w nim gra móżdżek. ( objawy móżdżkowe : dysmetria, niezborność, zab. równowagi) Móżdżek dzięki licznym połączeniom od i do z pniem i rdzeniem (a także z korą) posiada możliwość bezpośredniego wpływania na czynności ruchowe. Dokonywanie specyficznych czuciowo-ruchowych adaptacji (np. na zmianę obciążenia) i doskonalenie odruchów (np. chwytu szklanki): Model uczenia się móżdżkowego (ruchowego) Marra, Albersa i Ito Proces uczenia się w móżdżku opiera się na LTD (long-term depression) wytwarzanym w synapsach pomiędzy włóknami równoległymi (pf) (z dróg korowo-mostowo-móżdżkowych) i komórkami Purkinjego. Aktywność tych synaps występuje w koincydencji z aktywnością synaps włókien pnących (cf) pochodzących z oliwek, którymi do kk.purkinjego docierają sygnały błędu. LTD występuje na synapsach włókien równoległych. Model uczenia się poprzez mechanizm LTD w móżdżku królika U królika móżdżek zaangażowany jest w: odruch zamykania powieki (tzw. migotki) odruch cofania gałki ocznej (w reakcji na podmuch powietrza w kierunku oka.) Odruch ten można warunkować np. dzwonkiem uruchamianych tuż przed dmuchnięciem. Dźwięk aktywuje synapsy między włóknami równoległymi i kk.purkinjego. Sygnał dmuchnięcia dociera do kk Purkinjego poprzez włókna pnące. 17/43

18 Koincydencja dzwonka i dmuchnięcia powoduje wytwarzanie LTD na synapsach włókien równoległych i kk Purkinjego. Zmniejszenie pobudliwości komórek Purkinjego powoduje wzrost sygnału z móżdżku do mięśni gałki ocznej ( hamowanie hamujących kk.purkinjego) Dalsze trenowanie odruchu warunkowego doprowadza do szybszej odpowiedzi której czas wystąpienia zostaje zoptymalizowany do mającego wystąpić dmuchnięcia. Pamięć emocjonalna- ciało migdałowate Ciało migdałowate moduluje zakres konsolidacji tworzącej się pamięci. Zdarzenia uznawane za ważne powodują pobudzenie całego układu nerwowego co wspomaga konsolidację pamięci czyli tworzenie trwałych jej engramów. Wzbudzenie mediowane przez c.migdałowate polega na aktywacji hormonalnej (oś podwzgórze-przysadka-wydzielanie kortyzolu z nadnerczy, ponadto wzmaga się wydzielanie katecholamin). Asocjacja określonych bodźców ze szczególnymi pozytywnymi lub negatywnymi afektami oraz z reakcją m.in. układu autonomicznego (niekiedy dla jednych obojętne emocjonalnie rzeczy dla innych osobników stają się źródłem emocjonalnego pobudzenia).świadome odtworzenie jest zwykle trudne lub niemożliwe. Wspomnienia wydarzeń o silnym ładunku emocjonalnym są żywsze i dłużej trwające oraz dokładniejsze niż wspomnienia emocjonalnie obojętne. Emocjonalnie silne wydarzenie powoduje aktywację układu sympatycznego i osi podwzgórzeprzysadka-nadnercza (wyrzut noradrenaliny i kortykosteroidów, tzw odpowiedź flight-or-fight ), celem tych reakcji jest nie tylko aktywacja neuro-metaboliczna ale wzmożenie procesów pamięci (dzięki temu osobnik lepiej uczy się postępowania w sytuacji stresowej (zagrożenia) Metody psychoanalityczne w znaczniej mierze opierają się na odkrywaniu (uświadomieniu) zapomnianych lub wypartych elementach pamięci emocjonalnej odnoszących się zwłaszcza do okresu dzieciństwa. Przykład wpływu pamięci emocjonalnej: zdarzenie z dzieciństwa takie jak pogryzienie przez psa Silnie wzmocniona pamięć deklaratywna zdarzenia Nieświadomy nabyty lęk i wstręt do psów Glukokortykoidy mogą bezpośrednio aktywować (przechodzą do mózgu) swoje receptory w hipokampie i c.migdałowatym. Tylko małe dawki glukokortykoidów wspomagają pamięć! (stres mały jest dobry, duży jest zły ) Przecięcie blaszki krańcowej (odprowadzającej włókna z c.migdałowatego) blokuje wpływ różnych substancji (takich jak substancje działające przez receptory GABA, opioidowe, adrenergiczne) na procesy pamięci. M.in. Charakterystyczne jest zniesienie działania różnych substancji na procesy pamięci poprzez podanie propranololu (przypuszczalnie modulacja adrenergiczna gra główna rolę w tych procesach). Podawanie noradrenaliny i adrenaliny po wstępnym etapie uczenia się poprawia przypominanie nabytych wiadomości. Przy czym tylko pośrednie dawki tych hormonów działają pozytywnie (ani niskie ani wysokie). Katecholaminy nie przechodzą do mózgu i zatem prawdopodobnie działają obwodowo poprzez interakcję z receptorami unerwianymi przez n.x i następnie aktywacje j.pasma samotnego. Stamtąd drogi projekcyjne pobudzają j.miejsca sinawego (dopaminergiczne), które z kolei ma połączenia z c.migdałowatym i hipokampem i w ten sposób może dochodzić do oddziaływania na procesy pamięci. Elektryczna stymulacja n.x ma podobne działanie jak podawania katecholamin. Stymulacja c. Migdałowatego stymuluje (lub hamuje ) zapamiętywanie i jest uzależnione od sprawnych nadnerczy! Pamięć robocza (working memory, pamięć bezpośrednia ): Różne obszary kory(wraz z perceptual m. jest realizowana przez korę bez udziału innych struktur mózgu.) Pamięć robocza jest to świadoma reprezentacja poszczególnych składników bieżącego doświadczenia. 18/43

19 Jest krótkotrwała (często utożsamia się pamięć roboczą z STM czyli z pamięcią krótkotrwałą, ale w tej pamięci są również elementy LTM). Uważa się, że pamięć robocza (bezpośrednia) pozwala na równoczesne rejestrowanie i przetwarzanie informacji czuciowej, pamięci STM oraz stałego dostępu do LTM. Przykładem może być prowadzenie pojazdu. input czuciowy aktualnie obowiązujące (w danym odc.drogi) znaki drogowe cel podróży (LTM) Na bieżąco rejestruje i podtrzymuje pośrednie produkty myślenia oraz reprezentacje wytwarzane przez system perceptualny (postrzegania)dostęp do pamięci długotrwałej składa się z aktywowanych sekcji LTM (pamięci długotrwałej) tzw. chunks (kęsów) chunk jest strukturą hierarchiczna i symboliczną. Jednoczasowo ok. 7 +/- 2 chunks jest aktywnych. Pamięć perceptualna priming Bez udziału świadomości, który dotyczy zdolności identyfikacji i klasyfikacji przedmiotu będącej rezultatem wcześniejszych postrzeżeń tego przedmiotu lub przedmiotu pokrewnego. Przykład zadania angażującego pamięć perceptualną (priming) to (po uprzedniej ekspozycji sekwencji określonych obiektów) nabycie zdolności do identyfikacji całej sekwencji tych obiektów (np.słów) na podstawie początkowej części sekwencji. Ten rodzaj pamięci jest zachowany u chorych z amnezją (czyli brakiem pamięci deklaratywnej) którzy maja uszkodzoną przyśrodkową część płata skroniowego (medial temporal lobe) Badania fmri wykazały OBNIŻENIE AKTYWNOŚCI KORY w zadaniach testujących priming (w przeciwieństwie do pamięci deklaratywnej)! Modele eksperymentalne mechanizmów pamięci proceduralnej Pamięć proceduralna: badania nad Aplysia Slimak morski Aplysia Odruch cofania skrzela i syfonu do jamy płaszcza na dotknięcie syfonu lub strzyknięcie strugi morskiej wody (jest to przykład tzw. Odruchu wycofania) Odruch cofania ogona, syfonu i skrzela po stymulacji ogona W Aplysia można obserwować i badać mechanizmy uczenia się zarówno nieasocjacyjnego jak i asocjacyjnego Uczenie nieasocjacyjne : Habituacja Powtarzana 10x stymulacja powoduje zwiększenie napływu jonów wapnia i tzw. osłabienie homosynaptyczne (tej samej synapsy, która jest pobudzana w odruchu - jest to zakończenie aksonu neuronu czuciowego). Polega na zmniejszeniu wydzielania neurotransmitera w neuronach czuciowych syfonu. Obserwuje się też długotrwałą habituację, której przyczyną jest zmniejszenie liczby synaps. Sensytyzacja: Seria silnych bodźców bólowych (stymulacja bólowa ogona) powoduje uwolnienie modulacyjnych neurotransmiterów np. serotoniny (5-HT) ze specyficznej klasy neuronów (tzw. neuronów facylitacyjnych), których zadaniem jest modulacja odpowiedzi neuronów czuciowych (heterosynaptyczna facylitacja). Neurony facylitacyjne (wstawkowe serotoninergiczne neurony torujące) tworzą synapsy akso-aksonalne na zakończeniach nerwów czuciowych. W przeciwieństwie do 19/43

20 habituacji sensytyzacja jest procesem heterosynaptycznym (aktywacja innego neuronu niż neuron czuciowy) W sensytyzację krótkotrwałą zaangażowane są metabotropowe receptory serotoniny sprzężone z camp i kinazą białkową PKA oraz receptory sprzężone z DAG i kinazą PKC) Kinaza fosforyluje kanał potasowy powodując zmniejszenie prądu potasowego a stąd wydłużenie depolaryzacji (wydłużenie potencjału czynnościowego). Rezultatem jest wzrost napływu jonów Ca2+ do zakończeń aksonalnych i przedłużone i nasilone uwalnianie neurotransmitera. Z kolei fosforylacja przez PKC kanału wapniowego L powoduje przedłużony napływ wapnia przez ten kanał (i również nasilenie uwalniania neurotransmitera z zakończenia neuronu czuciowego co wzmaga siłę odruchu). Sensytyzacja (krótkotrwała i długotrwała)długotrwała sensytyzacja wymaga syntezy białek (blokowanie syntezy ogranicza sensytyzację do 3 godz.)sensytyzacja długotrwała na modelu Aplysia Wymaga stymulacji trwającej godzinę lub więcej ale jej efekty trwają przez co najmniej 24 godz. Czynnikiem który powoduje przejście sensytyzacji krótkotrwałej w długotrwałą jest m.in. Kinaza PKA, która zmienia ekspresję genów (aktywna podjednostka PKA dostaje się do jądra komórki i fosforyluje czynnik transkrypcyjny CREB (camp responsive element binding protein) aktywujący syntezę białek, w tym m.in. proteazy dla podjednostki regulatorowej PKA co wydłuża działanie PKA i m.in. Fosforylację kanału K+). Ponadto aktywacja MAPK prowadzi do fosforylacji i derepresji CREB2 co dodatkowo stymuluje CREB1. Długotrwała sensytyzacja wiąże się z a) translacją wielu innych białek (ponad 10 produktów genowych zostało zidentyfikowanych) i b) rozgałęzianiem się aksonów oraz c) tworzeniem nowych synaps. PKA, PKC, CaMKII są tzw. kognitywnymi kinazami -PKA, PKC, CaMKII podlegają trwałym zmianom aktywności nie ustępującym nawet po zaniknięciu stymulującego je sygnału (wtórnego przekaźnika) Kinazy te modulują aktywność synaptyczną Uczenie asocjacyjne : Asocjatywna facylitacja u Aplysia (forma uczenia się asocjacyjnego) Odruchy ucieczki (withrawal) u Aplysii mogą być użyte do klasycznego warunkowania. Odruch cofania skrzela można wzmocnić nie tylko na drodze sensytyzacji ale również poprzez tzw. Asocjatywną facylitację (jest to forma asocjatywnego uczenia) czyli dzięki warunkowaniu reakcji behawioralnej. Bodźcem warunkowym (CS) jest łagodne drażnienie syfonu Bodźcem bezwarunkowym (US) jest podrażnienie ogona (tylnej części nogi), który powoduje gwałtowną reakcję. CS poprzedza US o 0,5 sek. Wielokrotne powtórzenie sekwencji CS-US powoduje powstawanie silnej reakcji bezwarunkowej w odpowiedzi jedynie na bodziec CS (łagodny dotyk syfonu) POSTULOWANY MECHANIZM MOLEKULARNY: Molekularnym podłożem tej zmiany jest wzmocnienie efektywności przewodnictwa w synapsie między neuronem czuciowym i ruchowym. Dzieje się tak dzięki modulującemu wpływowi neuronów torujących, które w wyniku działania bodźca bezwarunkowego (US) są zaktywowane i wyrzucają serotoninę w synapsie akso-aksonalnej przy zakończeniu aksonalnym neuronu czuciowego. 1. W wyniku bodźca CS uwalniany jest Ca (Przerwa między CS i US musi być krótka bo wapń jest szybko buforowany w cytozolu.) 3. Następnie serotonina uwolniona w wyniku działania US aktywuje cyklazę adenylową w aksonie neuronu czuciowego, która staje się wrażliwa na wapń. (Ale nie ma jasności dlaczego CS musi poprzedzać US.) 20/43