学习与记忆课堂

1、1,第八章学习与记忆,Learning and memory,1,概述,2,学习和记忆的分类,3,脑内的记忆组织：记忆印迹,的探索,4,记忆的分子机制,2,一,概述,1,学习和记忆的概念,2,研究简史,3,学习和记忆的概念,学习,是指人和动物获得关于外界,信息的过程,记忆,记忆是将获得的信息进行储,存和读出的过程,4,关于学习和记忆的研究简史,1,巴甫洛夫的条件反射为学习和记忆的研究纳入了实验,神经科学的范畴,2.Cajal,认为学习过程可能产生持续性的神经细胞间连,接的形态学变化，这种变化可能是记忆的神经基础,3.Hebb,提出突触传递改变理论：他设想在学习过程中,有关的突触发生了某种变化，

2、导致突触连接的增强和传,递效能的提高；重复持续的活动可导致神经细胞间连接,的长时程变化，并可以固定下来,4,近年来认为，学习和记忆是突触发生形态和功能改变,的结果,5,二,学习和记忆的分类,1,种族记忆,memory of species,：长期,进化过程中积累的信息构成出生时脑所,具有的基本构筑和连接，以及先天具有,的感觉和运动功能,2,个体记忆,individual memory,：在,个体的生命过程中积累的信息的保存和,读出功能,6,个体学习和记忆,individual,memory and learning,7,非联合型学习,Non-associative learning,Non-a

3、ssociative learning,在刺激和反应,之间不形成某种明确的联系形式称为非,联合型学习。包括习惯化和敏感化两类,习惯化,habituation,：一个不具有伤害性的刺激重复作用时,神经系统对该刺激的反应逐渐减弱的现象,敏感化,sensitization,：一个强刺激存在时，神经系统对一个,弱刺激的反应可能变大的现象,8,联合型学习,associative learning,联合型学习,associative learning,：个体能够在事件与事件之间建立,起某种形式的联系，这种学习称为联合型学习。包括经典条件反射和操作,条件反射,经典条件反射,classical conditi

4、oning,19,世纪末,Pavlov,将条件刺,激（铃声）与非条件刺激（肉）配对，经过多次配对后，狗学会了将铃声,与肉给予联系，当听到铃声时就分泌唾液，这种对条件刺激的习得性反应,称为条件反射,9,associative learning,操作条件反射,Operant conditioning,本世纪初，哥伦比亚大学心理系,Thorndike,发现并研究了这一类型的联合,型学习。在操作条件反射中，动物学会将,一个动作反应与一个有意义的刺激（如食,物或躲避伤害）相联系,10,associative learning,意义,在条件反射中，动物学会了一种预示关系,在操作条件反射中，动机起了很重要的

5、,作用（只有饥饿的动物才会为了食物而,按杠杆），因此操作条件反射对于动物,学会生存具有非常重要的意义,11,陈述性记忆和非陈述性记忆,declarative memory and non,declarative memory,记忆,短期记忆,长期记忆,陈述性记忆,非陈述性记忆,联合型学习,联合型学习,非联合性学习,12,Declarative memory,陈述性记忆,Declarative memory,是对事实、事件以及他们之间的相互关,系的记忆；可以用语言来描述被记忆的内容,这种记忆被称为陈述性记忆。如北京是中国,的首都。昨天我听了一个令人振奋的讲座等,储存的部位：海马、内侧颞叶、间脑以

6、及它,们之间,形成的神经网络,13,Non-declarative memory,非陈述性记忆,Non-declarative memory,非陈述性记忆又称为反射性记忆，主要包括感知觉和运动技巧、程,序和规则的学习信息的记忆。可分为四种类型，即程序记忆、初始,化效应、联合型学习、非联合型学习,14,非陈述性记忆,1,程序性记忆,procedural memory,：日常生活中,不断学习一些技巧，形成一些固定的行为习惯，如骑,自行车等,2,初始化效应,priming,：如果你曾经在某一场合无,意识接受过一种刺激信息，当这一信息再次出现时,辨认的速度就会加快,3,联合型学习形成的情绪反应和骨骼肌

7、系统反应,4,非联合型学习形成的反射,15,非陈述性记忆,程序性记忆,初始化效应,联合型学习,非联合型学习,技巧、习惯,感知觉,条件反射,习惯和敏感化,情绪反应,肌肉反应,纹状体,新皮质,杏仁核,小脑,运动皮质,海马,海马,小脑,反射通路,16,工作记忆,working,memory,近年来，研究工作者提出工作记忆的概,念，它是指临时性的“在线”信息感知,调运、整合、储存的一个常用术语。如,骑在自行车上，要回家（现在身处何处,走哪条路线？需要多长时间,特点：临时性的信息储存可以在大脑多,个部位同时进行，可以是新获取的，也,可以是原来储存在大脑中的长期记忆信,息,17,遗忘症,amnesia,由

8、于某些疾病和脑组织损伤可以造成记忆的严重丧失,这种情形称为遗忘症,逆行性遗忘症,retrograde amnesia,：是指对脑损,伤前发生的事情的记忆丧失,顺行性遗忘症,anterograde amnesia,是指对脑,损伤后发生的事情不能形成新的记忆,18,三,记忆的脑组织：记忆的印迹,一,概念：记忆的物质代表或记忆所在的部位称为记忆,印迹,memory trace,or engram,二,Lashley,的大鼠迷宫实验,三,Hebb,的细胞集合学说,四,陈述性学习的新皮质定位,1,猴的颞叶皮质与视觉分辨力关系实验观察,2,人类颞叶电刺激实验,3,人颞叶大面积切除病例的行为观察,五,间脑和

9、陈述性记忆,19,二,Lashley,的大鼠迷宫实验,20,二,Lashley,的大鼠迷宫实验,1,损伤大脑皮质干扰了大鼠的学习能力,2,大脑皮质的损毁破坏了大鼠对迷宫路线的记忆能力,3,损伤大脑皮质的面积越大，大鼠的学习和记忆能力就越差。大脑的所有,皮质区域对学习和记忆都同样重要，这就是他的著名的同等能力原理,principle of equipotentiality,21,三,Hebb,的细胞集合学说,有机体对刺激的反应是由被这一刺激激活的所有细胞,来实现的,同时被激活的神经元称为细胞集合,细胞集合内的神经元彼此交互联系,刺激出现时，细胞集合内的神经元被激活并通过联系,相互应答,这一刺激就

10、以短时记忆被储存下来,如果细胞集合内的神经元活动持续时间足够长，就会,使神经元之间的联系增强，对刺激的记忆就得以巩固,记忆痕迹就会长期地被保存下来,以后，只要该细胞集合中的部分神经元被激活，由于,神经元间的强有力的相互联系将使整个细胞集合全部,被激活，对刺激的回忆就被实现,22,三,Hebb,的细胞集合学说,23,三,Hebb,的细胞集合学说,1,记忆印迹广泛分布于细胞集合的神经突触联系中,2,细胞集合可由那些参与感觉和感知的同一群神经元组,成,3,细胞集合中的部分神经元被损坏并不能消除记忆,24,四）陈述性记忆的新皮层定位,1,猴的颞叶皮质与视觉分辨力关系实验观察,A,训练猴子执行视觉分辨任

11、务操作（分辨猴的脸谱,B,记录猴在执行视觉分辨任务时大脑皮层（颞下回）的电活动,C,刺激执行视觉分辨任务的中枢，观察猴的行为,D,损毁视觉分辨中枢，观察猴的行为反应，从而了解皮层的中,枢与行为的关系,25,四）陈述性记忆的新皮层定位,1,猴的颞叶皮质与视觉分辨力关系实验观察,26,四）陈述性记忆的新皮层定位,1,猴的颞叶皮质与视觉分辨力实验,实验结论,A.,猴子可以执行视觉分辨任务操作（分辨猴的脸谱,B,执行视觉分辨任务的中枢位于颞下回,C,猴的颞下回既是高级的视觉中枢区，又是一个记忆的,存储区,27,3,陈述性记忆的新皮层定位,2,人类颞叶电刺激实验,A,刺激躯体感觉区，患者有皮肤针刺样感觉

12、；刺激运动皮质引起肌肉的,抽搐；刺激颞叶产生幻觉或过去经历的回忆,B,切除颞叶后，原先刺激着一部位所唤起的记忆，可以被刺激其他部位,所唤起,28,四）陈述性记忆的新皮层定位,3,大面积切除人类颞叶病历的行为观察,A,颞叶切除术,27,岁，男性，切除双侧的内侧颞叶（包,括内侧颞叶、杏仁体、海马的前,2/3,，癫痫发作被手,术成功的缓解,B,术后患者的智力、知觉、个性都没有受影响,C,记忆力出现障碍。表现为部分逆行性陈述性记忆遗忘,严重的顺行性陈述性记忆遗忘，但是非陈述性记忆（程,序性记忆）不受损伤,D,短期记忆正常,29,四）陈述性记忆的新皮层定位,3,大面积切除人类颞叶病历的行为观察结论,A,

13、颞叶与个体的智力、知觉、个性无关,B,颞叶与久远的长期记忆无关，与非陈述性记忆的形成无关,C,颞叶对记忆的形成，新近陈述性记忆的储存非常重要,D,短期记忆与长期记忆，非陈述性记忆和陈述性记忆的解剖学结构,神经机制不同,30,五）间脑和陈述性记忆,1,间脑中与记忆有关的结构,丘脑前核、丘脑背内侧核、乳头体,2,人类间脑损伤病例研究,3.Korsakoff,综合症,31,1,间脑中与记忆有关的结构,32,2,人类间脑损伤病例研究,1,基本情况,N.A,男性,21,岁，被花剑刺伤右,侧鼻孔，并深入左脑,CT,扫描发现左侧丘脑背内侧,核被损坏,2,康复后,N.A,的认知能力正常，短时记忆正常,但长期记

14、忆力遭到破坏（严重的顺行性遗忘和部分,的逆行性遗忘,3,结论：间脑损伤与颞叶切除出现的遗忘症状类,似，提示间脑与颞叶的陈述性记忆中枢有密切的关,系，是形成陈述性记忆的重要结构,33,3.Korsakoff,综合症,Korsakoff,综合症：是由于慢性酒精中毒造成的,硫胺素缺乏，常见丘脑背内侧核和乳头体受损,其特点之一是严重的记忆障碍（顺行性遗忘和,部分逆行性遗忘）。此外，还伴有异常的眼动,协调性丧失及震颤,34,小结：记忆的脑组织：记忆的印迹,一,概念：记忆的物质代表或记忆所在的部位称为记忆,印迹,memory trace,or engram,二,Lashley,的大鼠迷宫实验,三,Hebb

15、,的细胞集合学说,四）陈述性学习的新皮质定位,1,猴的颞叶皮质与视觉分辨力关系实验观察,2,人类颞叶电刺激实验,3,人颞叶大面积切除病例的行为观察,五）间脑和陈述性记忆,35,四,学习和记忆的突触机制,一）海兔子学习和记忆的突触机制,1,海兔子的学习和记忆,1,非联合型学习和记忆,A,习惯化,B,敏感化,2,联合型学习,36,37,一）海兔子学习和记忆的突触机制,1,非联合型学习和记忆,A,习惯化,重复性的无伤害刺激,感觉神经元每次都产生动作电位,感觉神经元与运动神经元连接的终末处钙内流减少,感觉神经元与运动神经元连接的终末递质释放减少,运动神经元反应敏感性降低,缩鳃反射出现习惯化,38,一）

16、海兔子学习和记忆的突触机制,1,非联合型学习和记忆,B,敏感化,非伤害性刺激,伤害刺激,鳃区感觉神经元,尾部感觉神经元,中间神经元,感觉神经元释放的递质增多,运动神经元反应敏感性升高,缩鳃反射出现敏感化,39,40,中间神经元释放,5-HT,感觉神经元终末质膜上的,5-HT,受体,终末内的,cAMP,升高,激活,PKA,钾离子通道蛋白被磷酸化,钾离子通道关闭,AP,的时程延长,感觉神经末梢释放的递质增多,钙内流增加,41,一）海兔子学习和记忆的突触机制,2,联合型学习和记忆,将对喷水管的轻微刺激,CS,轻到不能引起缩鳃反射）与对尾部的电,刺激,US,反复配对（之间间隔,0.5,秒）给予，既可形

17、成条件反射,由于感觉神经元终末钙离子的内流,CS,，与,5-HT,引起的,cAMP-ase,活化升高在时间上重合，将产生大量的,cAMP,激活大量,PKA,钾离子,通道被磷酸化,AP,时程延长，递质释放增多，从而产生记忆,42,小结,一）海兔子学习和记忆的突触机制,1,学习和记忆是突触,修饰的结果,2,突触活动的修饰可由神经活动转化为细胞内第二信使,而触发,3,记忆可以是现有突触蛋白变化的结果,43,二）脊椎动物学习和记忆的突触机制,1,大鼠小脑皮质的突触可塑性,2,海马和新皮质的突触可塑性,A,海马,CA1,区的长时程增强,B,海马,CA1,区的长时程增强机制,C,海马,CA1,区的长时程抑

18、制及其机制,D.LTP,LTD,与记忆,44,1,大鼠小脑皮质的突触可塑性,45,46,1,大鼠小脑皮质的突触可塑性,A,长时程抑制,long-term depression, LTD,东京大学的,Ito,给予平行纤维单个脉冲刺激或平行纤维和攀登纤维配对刺,激时发现，当给予配对刺激后，再给予平行纤维施加单脉冲刺激时，引起,浦肯野氏细胞的兴奋性突触后电位减小，这种变化可持续,1,小时以上。配对,刺激之后，单脉冲刺激平行纤维在浦肯野氏细胞的兴奋性突触后电位减小,的现象称为,LTD,47,1,大鼠小脑皮质的突触可塑性,B. LTD,形成的机制,平行纤维末梢释放谷氨酸，浦肯野氏细胞,膜上存在,NMPA

19、,使君子酸,受体失敏，使钠,内流减少,EPSP,时程变短,攀登纤维末梢释放谷氨酸，与此末梢形成,的突触后膜上具有的,NMDA,受体激活，钙,离子内流，浦肯野氏细胞内钙离子含量增,高,浦肯野氏细胞膜上存在谷氨酸代谢型,G,磷,脂酶,C,偶联受体，磷脂酶,C,激活第二信使二,脂酰甘油酯,DAG,DAG,活化蛋白激酶,C,48,2,海马和新皮质的突触可塑性,49,2,海马和新皮质的突触可塑性,50,2,海马和新皮质的突触可塑性,51,52,长时程增强,long-term potentiation, LTP,在海马的脑片上给,Schaffer,侧支单个的脉,冲刺激，在,CA1,神经元上可记录到兴奋性,

20、突触后电位；然后给,Schaffer,侧支强直刺,激,50-100,个,100HZ,的电脉冲），在用单,个脉冲刺激时，引起的兴奋性突触后电位,比强直刺激前大的多。这种增强现象可持,续数小时或几天。这种增强的现象称为长,时程,增强,long-term potentiation, LTP,53,54,55,56,57,58,LTP,形成的机制,Schaffer,侧支的末梢释放谷氨酸,CA1,细胞的突触后膜上,具有,AMPA,和,NMDA,受体,单个脉冲刺激释放的递质只能激活,AMPA,受体，产生较小,的,EPSP,强直刺激时,Schaffer,侧支末梢释放较多的递质，即可,激活,AMPA,又可激活

21、,NMDA,受体,NMDA,受体激活后钙离子大量流入,CA1,内，钙离子激活,PKC,和钙,钙调素依赖性的蛋白激酶,II,通过磷酸化使,AMPA,受体的效能增高,通过突触前修饰使,Schaffer,侧支的末梢释放更多递质,59,LTP/LTD,与记忆,1,英国爱丁堡大学心理学家,Morris,的水迷宫,实验（将,NMDA,受体拮抗剂注入海马，在,海马处记录不到,LTP,同时小鼠记不住水迷,宫中隐藏的平台位置,2,利用基因工程技术，将,NMDA,受体的一,个亚基的基因剔除，这种被剔除基因的小,鼠海马区引导不出,LTP,同时小鼠记不住水,迷宫中隐藏的平台位置；通过转基因技术,使小鼠的海马过量表达,

22、NMDA,受体时，则,海马处更容易诱导,LTP,小鼠的记忆力变的,更好，并且可以遗传,60,61,62,63,64,LTP,与记忆的关系,E-LTP(Early,LTP,如果强直刺激只有,1-2,串，诱导,出的,LTP,只能维持,1-2,小时之内，这种,LTP,称为早期,LTP,这种,E-LTP,只能诱导,PKC,活化，使,AMPA,受体,磷酸化，通过突触前修饰释放更多的递质来实现。与,短时记忆的形成有关,L-LTP,Late-LTP,如果给予,4,串或更多的强直刺激,诱导出的,LTP,能够维持在,24,小时甚至更长，这种,LTP,称为晚期,LTP,L-LTP,L-LTP,的诱导需要启动细,胞

23、核内的基因转录，从而启动新的突触蛋白（调节因,子、受体、离子通道等）的合成。与长期记忆的形成,有关,65,66,金鱼的条件逃避反射,67,68,69,70,生活环境对大鼠海马皮质锥体细胞,树突棘及学习记忆能力的影响,1,生活在复杂环境中长大的大鼠，树突棘数量多，学习、记忆能力强,2,生活在简单环境中长大的大鼠，树突棘数量少，学习、记忆能力弱,3,实验提示：复杂的生活环境促进树突棘的形成，树突棘的多寡，与神经微回,路形成的数量成正比，神经微回路的数量与学习、记忆能力成正相关,71,小结,1,记忆可分为陈述性和非陈述性两种，陈述性记忆是有意识的回忆，而非陈述,性记忆则是无意识的操作,2,陈述性,和

24、非陈述性记忆是有不同的脑结构支持,3,无论是陈述性记忆还是非陈述性记忆，记忆的痕迹都储存与神经通路的可塑,性变化之中,4,无论是低等动物还是高等动物，不同类型的记忆有着类似的突触和分子机制,72,小结,学习和记忆均发生在突触。事件的第一步,表现为电活动，然后表征为细胞内的第二,信使分子，继而表现为突触蛋白质的修饰,若是轻微的刺激，仅能诱发现有的突触蛋,白的修饰，产生,E-LTP,形成短时记忆,若是强大的刺激，可诱发基因启动，合成,新的突触蛋白，产生,L-LTP,形成长期记忆,73,小结,突触结构的改变涉及新蛋白的合成、新,微回路的装配、原有神经回路的拆除,这些情形与早期脑的发育过程中的许多,机制类似,钙离子参与不同类型的学习和记忆，它,具有将电活动与脑内的学习记忆过程偶联,起来,的特殊作用,74,最新进展：科学家采用电击疗法成功删除人类大脑,内指定记忆,荷兰科学家近日宣布，他们成功采用电击疗法删除了,人类大脑里的指定记忆。这一突破有望在未来帮助抑,郁症患者及受过心灵创伤的人忘