学习和记忆神经生物学.ppt

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1、第五章 学习和记忆神经生物学l第一节 学习与记忆分类l第二节 学习与记忆的神经基础l第三节 学习和记忆与突触可塑性l第四节 学习与记忆的分子机制l第五节 学习与记忆过程的调控l第六节 记忆障碍记忆机制简介l记忆机制研究的意义：不仅可以揭示人脑的工作原理，防治记忆疾病，提高人类的记忆能力，而且对于发展新型的信息处理机器也有很大的作用。记忆的脑功能定位l20世纪30年代，拉塞利提出了记忆分布于全脑的学说，到了40年代，潘菲尔德（Penfield）又提出了脑功能的局部定位说。记忆的物质基础l已有资料表明，在细胞水平上，细胞间的突触联系的改变是形成记忆的基础；在分子层次的记忆研究表明，对于不同种属动物

2、的脑，记忆的分子机制是相当一致的，这些研究揭示了生物基本原理的统一性。记忆研究的理论探讨l黑伯（Hebb）在20世纪40年代提出了突触联系的改变为记忆的基础，即著名的突触变化的黑伯定律。认知心理学从信息处理观点出发，也提出了一些记忆的模型。学习与记忆l学习：指人和动物获得外界信息的神经过程l记忆：将获得的信息贮存和读出的神经过程l学习广义的行为定义：动物个体在与环境中发生的新事物接触的经验中改变自己的适应行为，也就是新的适应行为（或新行为模式）的获得过程学习与记忆功能的生物学特性l不变量形成l信息平行处理l结构复杂，高效低耗能第一节 学习与记忆的分类l记忆的广义定义：指机体所保存的关于生存的环

3、境信息和它自身的信息 个体记忆：个体生命中所积累的实践经验l分类 种族记忆：来自进化过程中祖先积累保存下来的信息非联合型学习和联合学习l非联合型学习：在刺激和反应之间不形成明确联系的学习形式l表现：在单一刺激长期重复作用下个体对该刺激的行为发生改变l典型方式习惯化：指一个不具有伤害性效应刺激重复作用时，机体对该刺激的反射性行为反应逐渐减弱的过程敏感化：表现为当一个强刺激存在时，大脑对一个弱刺激的反应会得到加强l联合型学习：指刺激和反应之间建立联系的学习。它的实质是由两种或两种以上刺激所引起的脑内两个以上的中枢之间的活动形成联结而实现的过程l种类：经典性条件反射和操作性条件反射陈述性记忆和非陈述

4、性记忆l陈述性记忆：指对事实或事件及其相互关系的记忆，又称外显记忆l非陈述性记忆：是具有自主或反射性质的记忆，又称内隐记忆l短时记忆和长时记忆l工作记忆与参考记忆工作记忆：指对某次训练时出现的特殊刺激或线索的记忆，也就是动物或人在进行某种复杂的认知任务操作过程中脑内“在线”或短暂贮存某些必要信息的神经过程参考记忆：整个训练过程中一直不变的一般线索或规则的记忆第二节 学习与记忆的神经基础l参与学习与记忆的脑结构颞叶海马和杏仁核间脑新皮质l脑内记忆系统陈述性记忆的神经回路非陈述性记忆的神经回路工作记忆系统运动性学习记忆神经回路l记忆的生理单元颞叶的记忆作用1.颞叶下回在视觉辨别学习记忆中具有重要作

5、用2.颞叶新皮质具有贮存记忆印记的能力：Penfield关于癫痫病人的研究3.颞叶损伤容易产生长时记忆障碍：Scoville和Milner对H.M的研究4.颞叶皮质的偏侧化倾向 Milner采用各种不同的记忆测验，验证了两侧颞叶新皮质受损的不同效应，进一步证实了颞叶皮质的偏侧化倾向。（结果）5.Hebb的理论 Hebb认为，如果某种记忆印记仅由一种感觉模式所形成，那么该印记位于与这种感觉有关的大脑皮质区域海马在记忆中的作用l海马是实现记忆的第一步来自电生理方面的证据：Thompson等人的瞬膜反射实验脑损伤方面的证据：Mishkin等人的延迟性非配对样品（DNMS）的记忆实验l海马是长时记忆的

6、过滤器，信息传递给海马，并暂时储存，只有经过海马加工的信息才能进入长时记忆进行储存 修补大脑芯片的诞生1.由美国南加利福尼亚大学西奥多伯格等人研制，以在实验鼠脑组织切片上试验成功，随后将进行活体实验。该芯片主要是发挥大脑“海马”部位的功能。2.研制该芯片克服了三大困难 1）建立“海马”在各种不同条件下工作的数学模型 2）将这一模型编程到芯片中 3）使芯片能够与大脑其他部位协调工作“四肢发达，头脑简单”真的有道理l适量运动会使人 更聪明l运动过度脑子会变笨杏仁核在记忆中的作用l将感觉体验转换为记忆，在记忆汇合过程中的作用十分突出。Mishkin等人证明，杏仁核复合体与皮质的所有感觉系统有着直接联

7、系（图）杏仁核在联系不同的感觉所形成的记忆中发挥着重要作用：延迟性非配对样品实验间脑与记忆加工l间脑中的丘脑前核、丘脑背内侧核和下丘脑乳头体参与加工认识记忆（图）l间脑与科尔萨可夫（Korsakoff）综合症新皮质与记忆l新皮质是人类长期进化过程中形成的大脑皮质，它与一些高级的精细、复杂的加工有关。l前额叶与记忆的关系前额叶与记忆的关系l前额叶与空间工作记忆有关系l前额叶与物体工作记忆有关系l前额叶与先后次序的记忆关系密切前额叶与空间工作记忆的关系l延缓反应任务实验（delayed-response,DR任务）lJacobsen等人通过DR实验证明，前额皮层主沟区（46区）是空间工作记忆的关键

8、脑区前额叶皮层与物体工作记忆的关系l前额叶皮层的下凸部（12区和45区）具有 物体工作记忆的功能l证据来自于延缓样本 匹配任务（delayed matching-to-sample,DMS任务）额叶与先后次序的记忆关系密切lCorsi等通过对额叶损伤的病人进行研究，证实了这种关系。采用词语测验的方式让额叶和颞叶分别受损伤的病人进行回忆，结果证实额叶与先后次序的记忆存在密切关系。总结l颞叶：在视觉辨别学习中有着重要作用，与长时记忆的贮存关系密切，并且颞叶皮质的记忆功能具有偏侧化倾向l海马：与短时记忆有关系，是记忆的第一步，也是短时记忆转为长时记忆的过滤器l杏仁核：负责将感觉体验转化为记忆，在记忆

9、汇合过程中的作用十分突出l间脑：记忆环路的一个重要环节l额叶：与工作记忆、先后次序的记忆关系密切，同时具有偏侧化倾向脑内记忆系统l陈述性记忆的神经回路l非陈述性记忆的神经回路l工作记忆系统l运动性学习记忆神经回路陈述性记忆的神经回路l以视觉学习记忆为例：大脑皮层V1 V2,V3,V4边缘系统内侧颞叶，内侧丘脑，腹内侧额叶基底前脑胆碱能系统非陈述性记忆的神经回路lMishkin等人提出，除了陈述性记忆这个学习系统之外，还存在着用于学习的第二个系统，它是独立与边缘环路之外的，对重复刺激做出反应是该系统的关键成分。第二系统的学习被成为“习惯”。l梅镇彤等人提出的习得性行为神经调控的框图工作记忆系统l

10、Goldman-Rakic提出的前额叶皮层工作记忆模块假说：前额叶皮层具有多个工作记忆模块；不同模块位于不同的亚区，主管不同性质的工作记忆；具体的说，前额叶皮层主沟区管理空间工作记忆；前额叶皮层下凸部管理物体或相貌工作记忆。运动性学习记忆神经回路lNM/EBCC：是经典瞬膜/眨眼条件反射，其训练过程是：以声音或灯光等作为条件刺激（CS），以向角膜吹风或眶周电击作为非条件刺激（US），训练被试建立瞬膜/眨眼条件反射（CR）。这种学习记忆活动属于感觉运动记忆。lNM/EBCC的重要环路结果 研究者对这个环路进行了“可逆失活”研究，发现运动核和红核失是传出通路的一部分，并不是记忆产生的部分。中位核和

11、小脑皮层是运动学习记忆产生的重要部分，特别是后背侧中位核及其覆盖的小脑HVI皮层。这一部分被冷冻或失活之后，学习将完全消失。记忆的生理单元l短时记忆的神经过程l长时记忆的神经过程l短时记忆向长时记忆转化的机制短时记忆的神经过程短时记忆的神经过程lHebb认为短时记忆的活动过程只持续短暂的一段时间、而长时记忆则涉及神经系统结构上的改变、所以较为持久。它们有不同的神经生理机制。他认为脑部的神经元彼此连接。互通信息。一旦神经元a被激活，就依次传递到b，c，d，最后又返回神经元M，如此循环。这些连接的神经元形成所谓的神经环，或称为神经回路往返于皮质的不同区域，也可以通往皮质下的结构(如丘脑、海马)。l

12、由于神经允许输入和输出的信息量很大，所以脑部的神经回路密布，而回路的神经突触互相联系。任何心理过程都可以看作某特定神经 回路的活动。短时记忆可以看作神经回路短暂的反响。这个反响回路是皮质神经元所组成一个无终端的闭合线路，一旦受刺激，则产生环绕此封闭线路的回响，回响可以持续20至30秒。反响回路不仅可以说明短时记亿为什么在短暂时间内消失，也可以说明在此极短的时间内，新旧材料所产生的干扰作用。长时记忆的神经过程l长时记忆是神经突触所产生的持久性改变这种突触结构的改变需要一段时间才能巩固。通过固化，脑细胞发生生理变化，产生新的树突或轴突。这种变化一旦发生，记忆痕迹就深刻脑海，信息得以长期储存。不过，

13、脑细胞这种结构上的变化也只是持续相当长的时间并不是永久不变。因为生理上的代谢或衰退的过程，可以使突触的联系松弛，以致长时记忆也有衰退的现象。短时记忆向长时记忆转化的机制l突触假说l神经胶质假设l生物化学假设突触假说lBennult(1977)认为生活在刺激丰富的环境中的白鼠之所以比生活在刺激贫乏环境中白鼠大脑皮层厚而且重、是由于轴突末梢增长、树突增多、突触间隙变窄，使相邻的神经元更易于相互作用。在学习的时候，抵制相邻神经元之间冲动传送的突触阻力下降，因此学习所创造的稳定神经线路是记忆的生理“支柱”。神经胶质假设l罗森茨威格及其合作者(19641967)的实验揭示，在刺激丰富环境中生长的白鼠与在

14、刺激缺乏环境中生长的白鼠相比较，大脑出现了量的变化，大脑重量的增加。特别是枕叶的胶质细胞增加，而神经元则保持不变。研究者假设：数量的变化，特别是神经胶质细胞的数量变化可能与记亿过程有关。生物化学假设l神经元的电活动造成细胞内部某些分子结构，特别是核糖核酸或特殊蛋白质的化学变化。所以，结构变化是信息记亿的生物“编码”。第三节 学习和记忆与突触可塑性l学习记忆与突触结构的可塑性l学习记忆与突触传递效能的可塑性l学习记忆过程中突触结构可塑性与突触功能可塑性的关系突触间隙突触间隙树突树突突触小泡突触小泡神经递质神经递质分子受体分子受体学习记忆与突触结构的可塑性l突触的生理变化：在学习过程中，有许多生理

15、变化可以改变已有突触后对突触前的兴奋的反应。这种变化可能是突触前的，也可能是突触后的，还可能两者都有。l结构的改变：突触可以在训练过程中长大，长时间不用就会萎缩；另外，训练也可以使突触数目增加。突触的生理变化和结构变化图学习记忆与突触长的效能的可塑性l学习记忆与突触传递的长时程增强海马结构的三突触回路长时程增强（long-term potentiation,LTP）:最初由Lomo首先发现这种现象，即电刺激内嗅区皮层向海马结构发出的穿通纤维时，在海马齿状回可记录出细胞外的诱发反应。这种长时程增强效应是短时记忆转化为长时记忆的基本的脑神经信息加工过程。LTP的特性lLTP具有联合的性质，即在本质

16、上是由两种不同的、具有一定时间关系的刺激协同作用产生的。lLTP还具有特异性学习记忆与突触传递的长时程压抑l长时程压抑（long-term depression,LTD）是指突触传递的效率长时程降低。lLTD在运动学习中负担着不断纠正操作错误的重要作用学习记忆过程中突触结构可塑性与突触功能可塑性的关系l突触结构可塑性是其功能可塑性的物质基础，二者统一于突触信息传递过程中。瞬膜/眨眼条件反射基本神经通路延缓反应训练丘脑结构图杏仁体的多种联系颞叶切除后，在记忆功能上所表现的双重分离效应记忆测验切除部位左颞叶右颞叶几何图形的回忆 无意义图形的配对学习 无意义图形的记认或再认 人面再认 音调再认 故事回忆 词语配对 字句、数字的再认 无意义音节的记认 海马大脑结构杏仁核习得性行为神经调控回路的框图 海马中的三突触回路