学习和记忆-脑科学简介课件

1、学习和记忆LEARNING AND MEMORY脑科学简介ted/talks/joshua_foer_feats_of_memory_anyone_can_do.html学习记忆的研究历史过去认为记忆不是独立的脑功能，它依 附于知觉，语言或运动，不能研究，不 定位于脑内。一、学习记忆与脑的定位韦尔德.潘菲尔德(Wilder Penfield) 刺激颞叶，首次发现记忆可定位于脑内的特定区域。切除双侧海马和颞叶联合皮层的证实 提出：颞叶可能是记忆的关键。韦尔德.潘菲尔德(Wilder Penfield) 二、颞叶与短时和长时记忆患者：Henry.M. 年龄：27岁病因：9岁，脑外伤，昏迷5分钟症状

2、：抽搐，惊厥，咬舌，意识丧失诊断：双侧颞叶癫痫治疗：手术切除双侧中层颞叶（海马的2/3）Brenda Milner布伦达米尔纳 （Brenda Milner） 米尔纳的研究提出三个有关记忆的生物本质的重要观念：1、颞叶内测受损，会将暂时记忆及长期记忆分离； 2、颞叶内侧受损，对知觉及智力没有影响，惟对形成新记忆有重大影响； 3、记忆系统不只有一种。 海马杏仁核颞叶联合区大脑的结构术后：癫痫痊愈， 语言和智商无明显改变;记忆障碍: 短时记忆向长时记忆转化障碍 空间记忆障碍（迷路） Brenda Milner的结论新记忆的形成是一个独立的脑功能，定位于大脑颞叶大脑颞叶不参与短时记忆（H.M.短时记

3、忆完好）大脑颞叶不是记忆的最终存储部位（对术前记忆良好）记忆有多种形式（短时和长时记忆）三、颞叶中回与记忆信息输入皮层相关区海马旁区和嗅皮层海马丘脑和下丘脑fornix穹窿 四、学习记忆与突触ted/talks/allan_jones_a_map_of_the_brain.htmlCajal (1852-1934)1894提出假设：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，这种持续性的变化可能是记忆的神经基础。stimulationstimulationJ. Konorski (科诺尔斯基19031973 ，波兰心理学家)提出：一定条件下感觉刺激的结合可在神经细胞及其连接处产生两种变

4、化： （1）神经细胞：恒定的、暂时性的兴奋形变化。 （2）连接处：易变的、持续性的变化。即使不再使用，在学习过程中建立起来的细胞接触还是会保留D Hebb 提出了关于突触传递改变的理论，设想在学习记忆过程中有关的突触发生了某些变化，导致突触连接的增强和传递效能的提高。持续刺激 神经连接的长时程变化 固化 学习 记忆ted/talks/daphne_bavelier_your_brain_on_video_games.html学习记忆过程中脑发生了什么变化？信息如何储存、如何读出？Kandel 与2000年诺贝尔奖突触传递效能是如何被调控的，有哪些分子机制参与；利用海兔作为模型证明突触的改变是学

5、习和记忆的关键；突触区蛋白的磷酸化是短时记忆的关键，长时记忆需合成新的蛋白质，并导致突触结构和功能的改变。Aplysia or sea slug研究学习记忆的动物模型1.神经系统组成简单 105个2.神经环路简单 腹神经节2000个Aplysia or sea slug 坎德尔利用海洋生物海兔研究发现，短期记忆和长期记忆都与突触和神经递质有关。神经递质释放得越多，海兔的学习和记忆保护能力就越强。而突触释放较多递质的最重要的原因是由于离子通道的蛋白质磷酸化所致，这正与格林加德的研究不谋而合。坎德尔生于1929年在美国纽约哥伦比亚大学神经生物学和行为学中心douban/group/topic/89

6、00301/卡尔森生于1923年在瑞典哥德堡大学药理学系格林加德生于1925年在美国纽约洛克菲勒大学分子和细胞神经学实验室坎德尔生于1929年在美国纽约哥伦比亚大学神经生物学和行为学中心The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000开发右脑潜能拿破仑、爱因斯坦、居里夫人、比尔盖茨、达芬奇、贝多芬、奥巴马还有我们可亲的温家宝都是左撇子。为什么这么多的天才都喜欢使用右脑？是巧合还是左利手的人聪明？ 在基本的感觉和运动机能上，左半球支配人体右半部，右半球支配人体左半部。在更加细致的分工上，左半球主要负责语言及语言有关的心理机能，如读、写、算等心理活动；右

7、半球主要负责非语言形式的心理机能，如在时间、空间的感知上，在音乐、绘画等活动上。可以说，左半球是抽象思维的世界，右半球是形象思维的世界。它们是两个不同类型的信息加工系统。这两个系统相辅相成，相互补充，相互制约，相互协作。各种心理机能都是大脑两半球协同活动的结果。它们二者主要靠胼胝体的联络，奇妙地完成了“合作分工”。所以，对于艺术家，几何数学家，政治家，都需要右脑的形象思维认知这个世界，当然，如果能够左右脑都使用，那么我们的潜能能进一步得到开发。大脑的分工开发右脑潜能锻炼类型和图形识别能力锻炼绘画意识或写毛笔字欣赏音乐锻炼想象能力，例如写作科幻小说等经常使用左手，例如刷牙用左手锻炼空间认知能力，

8、例如记地图创造一种没有语言参与的无意识状态多用图形表示文字，进行书面沟通只要本着这些措施在日常生活中下功夫，右脑必将得到激活，你也将变为富于直观能力、综合判断能力和创造力的人。 左脑：我是左脑。我是科学家，数学家。我喜欢熟悉的事物。我归类整理。我很精确。线性运作。分析。策略。我是实用的。总是受控良好。词汇与语言的大师。实用主义。我计算平衡并玩弄数字。我是命令。我是逻辑。我准确地知道我是什么。右脑：我是右脑。我富有创造力。自由的灵魂。我是激情。渴求。欲望。我是狂热的笑声。我是滋味。赤足下沙的触感。我是运动。鲜活的色彩。我是在空白帆布上作画的渴望。我是无界的幻想。艺术。诗歌。我感觉。我感知。我是任

9、何我想成为的东西。学习记忆的分类概 念学习：获得新知识或新技能的过程经历使大脑产生了变化记忆：将这种知识或技能编码，储存以及随后读出的过程大脑在一段时间内保持了这种变化一、学习分类 非联合性学习 学习 联合性学习习惯化敏感化经典条件反射操纵式条件反射非联合型学习（nonassociative）： 是人和动物受到一次或多次单一刺激后形成的，并不需要将两个刺激联系起来。 习惯化（habituation） 敏感化（sensitization）习惯化：是指人和动物逐渐降低对某一反复出现的温和刺激的反应。示例：对某些气味，噪音等习惯化形成条件：非伤害性（温和）刺激，既无益也无害，多次连续出现。存储部位:

10、三个突触部位意义：学会辨认生活中对机体没有生物学意义刺激，忽略该刺激的存在而保留有明确意义的信息。敏感化：指人和动物受到某种强烈的或伤害性刺激后对其他刺激的反应性增强。示例：轻触烫伤周围区形成条件：与联合性的条件反射不同，它不依赖于强弱刺激间的配对，也不需要建立强弱刺激间的联系，因而也称假性条件化。意义：要求动物学会注意某一刺激，因为它伴随有可能的疼痛或危险的后果。联合型学习（associative）： 两个刺激或刺激与行为之间发生联系 经典条件反射（classical conditioning） 操作式条件反射（operant conditioning）经典条件反射条件刺激（CS）：铃声（c

11、onditioned stimulus）非条件刺激（US）：食物（unconditioned stimulus）经典条件反射CS（铃声）不引起唾液分泌US（食物）引起唾液分泌CS+US经过一定时间的训练（学习）后，CS便引发出一种新的反应叫条件反应。这时CS预示着US即将到来。“望梅止渴”： 不是先天就有的，是出生后在特定的环境和情况下形成的。经典条件反射消退 (extinction)：建立了条件反射后，如果非条件刺激反复不与条件刺激同时出现，所建立的条件反射会逐渐减弱直至消失。消退并不是遗忘。消退是一个新的学习过程。消退所学习的是条件刺激预示着非条件刺激不再到来。 经典条件反射操作式条件反射

12、操作：压杠杆强化刺激：食物联系压杠杆的频率：饥饿程度奖励驯兽表演，驯兽员能让动物作出规定的动作。操作条件反射也可以用伤害性刺激（电击）建立操作性条件反射：压杠杆时断电目前操作性条件反射已被广泛应用于对动机行为的研究经典条件反射和操作条件反射的建立遵循相似的原则刺激的同步性： 经典：US必须紧跟CS 操作：强化刺激必须紧跟操作记忆系统的分类二、陈述和非陈述性记忆陈述记忆是有关时间、地点和人物的知识，这种记忆需要一个清醒地回忆过程。它的形成依赖于评价，比较和推理等认知过程。陈述记忆储存的是有关事件或事实的知识，它有时经过一次测试或一次经历即可形成。我们通常所说的记忆就是指的陈述记忆。 陈述性记忆概

13、念declarative memory or explicit memory陈述性记忆特点：1.依赖于评价、比较和 推理等认知过程2.能够用语言表达出来3.其编码和回忆需要工 作记忆4.海马参与陈述性记忆分类事件记忆（episodic memory）: 有关事件和个人经历的记忆语义记忆（semantic memory）： 有关事实的记忆空间定位与陈述性记忆陈述记忆大多需要用语言表达，动物模型较难建立。对空间定位的记忆也具有陈述记忆的特性。 非陈述记忆概念nondeclarative memory or implicit memory是有关如何操作某件事情的能力，它不需要清醒地回忆。这种记忆是通

14、过反复重复而逐渐形成的，主要表现为行为的改变。非陈述性记忆（nondeclarative memory or implicit memory）特点：1.自主性和反射性2.不依赖于意识和 认知3.不能用语言表达非陈述记忆1.程序记忆（procedural memory）： 纹状体、运动皮层、小脑2.初始效应（priming） 新皮层3.非联合型学习记忆 （nonassociative memory） 反射通路4.联合型学习记忆 （associative memory） 小脑、海马、杏仁核 “熟能生巧”学习开车听讲解、理解要领熟练开车陈述性记忆非陈述性记忆三、短时记忆和长时记忆根据记忆的保存时间分

15、类影像记忆:即刻记忆:初级记忆:工作记忆:短时记忆长时记忆两种记忆系统：感觉影像出现后的1秒内几秒钟一时即过而仍保留在意识中的记忆和对事件的选择注意从认知心理提出的概念，指在执行某些认知行为中的一种暂时的信息储存。两者的区别 1.保持时间: 短时记忆：短（数秒） 长时记忆：长（数小时 永久） 2.记忆容量: 短时记忆：有限 长时记忆：无限记忆存储的阶段性 ？外界干扰因素对学习记忆的影响：马钱子碱或毒扁豆碱 提高记忆蛋白质合成抑制剂 特异性干扰长时记忆神经机制短时记忆：神经活动可塑性解释正进行着活动的神经元将信息储存下来 长时记忆：脑内长期的功能结构变化新的蛋白质合成长时记忆中概念的层次化组织

16、语义网络示例 记忆系统的发展通过上述几种组织方式,人的各种知识经验就在长时记忆中构成了一个比较稳定的网络,在心理学中称为图式。图式是一种心理网络结构,它表示的不是许许多多的具体事物,而是各种知识要素的相互联系和相互作用。由于每个人的知识经验不同,所具有的图式也不同。图式对记忆有重要影响, 一方面,图式中的一般性知识为编码新信息提供了基础,有助于接受新事物并具有个人特点。另一方面,图式中的一般性知识极大地影响着信息的回忆效果,它使长时记忆中的信息得到激活后,往往不是直接的简单向外提取,而是经过推理进行建构,提取出来的是按照图式改造过的信息。例如,人们根据自己的经验、知识、兴趣、观点重新组织学习的

17、材料,对自认为无关紧要的细节进行删除,夸大感兴趣的内容,将自己不熟悉的事物代之以熟悉的事物,等等。总而言之,人们利用现有的知识组织新的信息,并将新的信息和原有的图式结合起来,不断地建构和发展着庞大而有序的记忆系统。 选择性知觉 进入感觉记忆的信息，只有一部分信息受到注意，大部分信息因未受到注意而迅速消失。这少部分受到注意的信息便成为选择性知觉的对象，得到进一步的知觉加工，使信息获得意义并进入工作记忆。选择性知觉是使受到注意的部分信息获得意义的过程。选择性知觉是信息能否从感觉记忆进入到工作记忆的关键环节。学习者的注意状态、动机状态、先前经验和期望都会影响对信息的选择性知觉。学习记忆的细胞分子机制

18、习惯化敏感化早、晚期LTP动物模型：海兔1.神经系统组成简单2.神经元大3.神经元分类清楚4.神经环路简单一 缩鳃反射习惯化的细胞机制海兔缩鳃反射的神经环路1. 海兔缩鳃反射习惯化现象:刺激喷水管皮肤，感觉神经元兴奋，使运动神经元和中间神经元产生兴奋性突触后电位，经时间和空间总合使运动神经元放电而缩鳃。多次重复刺激，则感觉、运动和中间神经元的突触后电位逐渐减小，缩鳃动作减弱以至不再有行为反应，并保持一段时间。2. 短时缩鳃反射习惯化记忆的存储部位分散储存于整个反射回路的许多部位：感觉与运动，感觉与中间，中间与运动神经元部位。3. 短时缩鳃反射习惯化的细胞分子机制机制：1.突触前膜上N型钙通道失

19、活，钙内流减少，使递质释放减少，2.习惯化使可动员的突触小泡减少，导致递质释放减少，Glu EPSP4. 长时缩鳃反射习惯化的细胞分子机制二 缩鳃反射敏感化的细胞机制海兔缩鳃敏感化现象: 当海兔尾部受到一个伤害性电刺激后，对喷水管一个温和的触觉刺激会引起鳃和喷水管过于强烈的收缩，即产生敏感化，并能维持一定的时间（数分钟 数周）2. 缩鳃反射敏感化的细胞分子机制习惯化涉及一个反射回路；敏感化则是一个反射回路的兴奋对另外一个回路的影响。本质：中间神经元释放5-HT，经一系列步骤使突触传递效能增加。 习惯化 敏感化刺激强度： 非伤害性 伤害性 反应强度： 逐渐减弱 增强突触递质： Glu 5-HT

20、神经环路: 一个环路 两个环路意 义： 过滤无关刺激 注意某一刺激三 经典条件反射的分子机制炉架 缩鳃喷水管 缩鳃两个不同的神经回路和非条件刺激结合均能引起条件反射。电刺激尾部（US）刺激喷水管（CS）但是US必须紧跟CS（0.5s）才能建立经典的条件反射。细胞机制 分子机制在CS下Ca2+由动作电位进入感觉神经元，与CaM结合活化AC。当CS结合US后可进一步增强AC的活化，产生更多的cAMP。cAMP-PKA途径在经典条件反射中起着重要的作用四 长时非陈述记忆的分子机制1.cAMP-PKA参与短时和长时敏感化过程 短时和长时敏感化时中间神经元释放5- HT，通过5-TH受体激活AC，产生c

21、AMP从而激活PKA表现出敏感化过程。2.蛋白质的合成参与长时记忆的形成 基因的转录、翻译和蛋白质的合成参与了长时记忆的形成而与短时记忆无关。证据：蛋白质和mRNA合成抑制剂能特异地阻止长时记忆，而不影响短时记忆。3.长时敏感化与突触持续增强的分子机制短时敏感化：中间神经元释放5-HT，通过cAMP-PKA途径，使感觉神经元递质释放增加而致敏感化。长时敏感化：中间神经元反复释放5-HT，PKA持续激活，入核后活化多种转录因子，启动基因转录，合成新蛋白形成长时敏感化。早期基因表达： 泛素羧端水解酶：降解PKA调节亚单位 释放活性亚单位 C/EBP：结合CAAT启动子，启动晚期 基因表达晚期基因表

22、达：依赖于C/EBP的表达，与新 突触的生长有关。 五、陈述记忆的分子机制海马早期LTPLTP：1973年Bliss等首次发现。 串长10-15s，频率10-20Hz 串长3-4s，频率100Hz作为条件刺激时，继后的单个刺激引起的EPSP振幅增大，潜伏期缩短。这种易化现象可持续的时间长达几小时-几周。这种单突触诱发反应的长时程易化称为长时程增强（long term potentiation, LTP）。LTP的形成必须依赖于高频刺激。或者说LTP的形成需要CA3和CA1同步活动。Perforant path：从前穿质到齿状回（DG）Mossy fiber path：从DG到CA3Shaffe

23、r collateral：从CA3到CA1Hippocampus海马CA3和CA1锥体细胞间的联系是以Glu为神经递质的。突触后膜上有NMDA和非NMDA受体共存。正常突触传递时Glu与非NMDA受体结合。NMDAR是配体门控的Na+/K+和Ca2+ 通道NMDA可激活通道开放；Na+、 Ca2+ 内流， K+外流；双重调节；NMDAR上有很多调制位点；参与兴奋性突触传递的LTP；3个TMD/unit双重门控电压：去极化（-20mV）配体：Glu / NMDA4个unitsNR1/NR2A-D配体门控Na+/K+通道CA3和CA1同步放电时Glu与NMDA受体结合Ca2+进入胞内。Ca2+/CaM磷酸化非NMDA受体，增加其对Glu的敏感性释放逆行信使NO，使Glu释放增加。NMDA受体和Ca2+/CaM依赖性激酶是诱导LTP的关键。基因敲除CA1区的NMDA受体不能诱导LTP，小鼠学习记忆受损。通过转基因技术表达过量的NMDA受体，