Neurovědecký pohled na paměť Mgr. Jan Nehyba Učení a paměť • Definice paměti Learning is defined here as an experience-derived adaptive change in a behavioral program, whereas memory is defined as the ability to store and recall previous experiences. (Rosenzweig et al. 1993). Krátkodobá a dlouhodobá paměť • Smyslová paměť přetrvává několik milisekund • Pracovní paměť až třicet sekund • Dlouhodobá paměť od 30 minut • In the taxonomy of memory there are three species: shortterm memory (STM, lasting minutes), intermediate-term memory (ITM, 2–3 hr), and longterm memory (LTM, >18 hr) Krátkodobá paměť • Miller (1956) 7 plus/mínus 2 kusů informací (cca 20500 citací!) • Cowen (2001) 4 kusy: Abychom si pamatovali sedmimístné telefonní číslo 6458937, musíme jej rozbít do čtyř bloků 64. 58. 93. 7. V podstatě jsou čtyři bloky (chunk) hranice našeho vnímání. Sčítání excitace a inhibice • Každý neuron tvoří stovky až tisíce synapsí s jedním nebo více typy neuronů. • K sumaci synaptických potenciálů dochází, pokud další potenciál vzniká dříve, než předchozí vyhasne. • Kritické snížení polarizace postsynaptické membrány, vede ke vzniku akčního potenciálu • Neuromodulátory mění vlastnosti postsynaptických membrán a tak mohou usnadnit nebo znemožnit synaptickou odezvu. Dlouhodobá LTP • Opakované akční potenciály mohou vést k různým typům zvýšení či snížení synaptické transmise, z nichž některé trvají poměrně dlouho. Může se jednat o procesy zahrnuté v mechanismech paměti a učení. Potenciace je dlouhotrvající zvýšené uvolňování neuromediátoru z aktivované synapse vznikající následně po její opakované stimulaci. Tento jev má pomalejší nástup (obvykle sekundy) a mnohem pomalejší doznívání, než facilitace. • Dlouhodobá potenciace („long-term potentiation“, LTP) je dlouhodobé zvýšení synaptické transmise trvající desítky minut, hodiny nebo dny vyvolané krátkou vysokofrekvenční stimulací presynaptické části. Od posttetanické potenciace a dlouhodobé facilitace se liší tím, že musí být aktivovány postsynaptické receptory. Předpokládá se, že LPT je důležitá v počátečních fázích učení a zapamatování. Je studována především v hipokampu. V hypotéze vysvětlující vznik LTP se vychází z úlohy NMDA receptorů v tomto procesu: Z hlediska informačního zpracování lze v zásadě rozlišit 3 fáze paměti 1. Učení (learning, encoding, acquisition) Získání zpracování a syntéza informace 2. Uchování (tvorba trvalého záznamu ukládané informace – engram) 3. Vybavení (retrieval, recall or recollection) vyvolání uložené informace v a její použití, verbalizace Konsolidace • Konsolidace – upevnění paměťové stopy z krátkodobé do dlouhodobé paměti • Termín připisován badateli George E. Müllerovi “Konsolidierung” (1892- 1900) • Závislá neapřepisu genů a syntéze nových bílkovin > remodelace synapse, zvýšení počtu spojení • Konsolidace - bývá popisována na různých úrovních • – Systémová – na úrovni mozkových struktur (např. hipokampus vs. neokortex) – ...koncept, že engram se fyzicky přesouvá z hipokampu do kortexu... • – Synaptická: Buněčná (změny v synaptické plasticitě, měřitelné např. elektrofyziologicky – LTP, LTD) Molekulární – na úrovni exprese genů Rekonsolidace • Předpokládejme, že je již paměťová stopa uložena z krátkodobé paměti do dlouhodobé tedy, konsolidována. • Pokud dojde k jejímu vybavení (retrieval), může se stopa stát znovu labilní (citlivá např. k inhibici proteosyntézy či experimentálně elektrokonvulzivnímu šoku) a tzv. rekonsoliduje…tzn. znova se ukládá do dlouhodobé paměti. • Výskyt asi jen u některých typů paměti • Paměť může být během vybavení a následné rekonsolidace modifikována. – Potenciální terapeutické využití … abreakce traumatizujících vzpomínek při kognitivně behaviorální terapii, např. u post-traumatické stresové poruchy. – Možné využití beta- alfa-blokátorů jako profylaxe či léčba u této poruchy Vymazání paměťové stopy? Vymazání paměťové stopy? • To their surprise, the researchers found that mice without Tet1 were perfectly able to form memories and learn new tasks. However, when the team began to study memory extinction, significant differences emerged. • To measure the mice’s ability to extinguish memories, the researchers conditioned the mice to fear a particular cage where they received a mild shock. Once the memory was formed, the researchers then put the mice in the cage but did not deliver the shock. After a while, mice with normal Tet1 levels lost their fear of the cage as new memories replaced the old ones. • “What happens during memory extinction is not erasure of the original memory,” Tsai says. “The old trace of memory is telling the mice that this place is dangerous. But the new memory informs the mice that this place is actually safe. There are two choices of memory that are competing with each other. • In normal mice, the new memory wins out. However, mice lacking Tet1 remain fearful. “They don’t relearn properly,” Rudenko says. “They’re kind of getting stuck and cannot extinguish the old memory.” • In another set of experiments involving spatial memory, the researchers found that mice lacking the Tet1 gene were able to learn to navigate a water maze, but were unable to extinguish the memory. Ecker, 2013 • Coherence therapy • H. M. trpěl nezvladatelnou epilepsií, která byla často -- i když nerozhodně -- připisována nehodě, kterou utrpěl v devíti letech, když ho přejelo kolo. Trpěl parciálními záchvaty mnoho let, a pak několika tonicko-klonickými záchvaty po svých šestnáctých narozeninách. Roku 1953 se pan H. M. obrátil na Williama Scovillea, chirurga na nemocnici Hartford, pro léčbu. • Scoville lokalizoval epilepsii pana H. M. v jeho levých a pravých vnitřních částech spánkového mozkového laloku a navrhl jejich chirurgickou resekci (vyříznutí) jako léčbu. 1. září 1953, Scoville odstranil části spánkového laloku pana H. M. na obou stranách jeho mozku. H. M. ztratil přibližně dvě třetiny svého hipokampu, parahipokampálního závitu, a amygdaly. • Po operaci - která byla úspěšná ve svém hlavním cíli regulování jeho epilepsie - trpěl těžkou anterográdní amnézií: i když jeho pracovní paměť a procedurální paměť byly neporušené, nedokázal uložit nové události do dlouhodobé paměti. Podle některých vědců (např. Schmolck, Kensinger, Corkin, & Squire, 2002), byla panu H. M. narušena jeho schopnost tvořit nové sémantické znalosti, ale výzkumníci debatují rozsah tohoto poškození. Trpěl také mírnou retrográdní amnézií, a nedokázal si vzpomenout na většinu událostí 1-2 roky období před svou operací, ani některé události z doby až 11 let dříve, což znamená, že jeho amnézie byla časově stupňovaná. Na druhou stranu jeho schopnost tvořit dlouhodobé procedurální vzpomínky byla neporušená, takže se mohl (například) učit novým motorickým dovednostem navzdory tomu, že by si na toto učení nemohl vzpomenout. Schacter, Addis, 2007 • Respondenti si měli vybavovat epizodické události (místa, situace, atd.) na základě podstatných jmen, jako jsou: • minulý týden, příští týden, před rokem, za rok,… • Na FMRI se ukázalo, že při obojím se aktivují oblasti levého hipokampu a postranní vizuální oblasti. • Při fázi konstrukce budoucích očekávaných událostí se však ukázalo, že byl aktivní i prefrontální kortex (prospektivní funkce – jako reakce na novou situaci) • Systém epizodické paměti ovlivňuje naše představy o budoucnosti Schacter, Addise, 2007 Respondenti si měli vybavovat epizodické události (místa, situace, atd.) • „… naše předešlé zkušenosti vytváří předpovědi o budoucnosti a minimalizují moment překvapení“. (Friston et al. , 2006) • „Mozek slouží k redukování očekávání z reality a skutečných zkušeností.“ (Brown, Brüne, 2012) Predictive coding Mozek Skutečná zkušenost Očekávaná zkušenost Predictive coding • Predikující neurony (P - zelené šipky), které predikují na základě vnitřních informací systému, co by mělo přijít přijde ze senzomotorického okruhu (na základě zkušenosti). • Chybové neurony (E) (modrá šipka) působí jako komparátor, který srovnává smyslové vjemy ze senzomotorické úrovně (červené šipky) s informacemi od prediktivních neuronů (modrá šipka). • Rozdíl mezi předpovědí a skutečným vstupem ze senzomotorického signálu je předán na vyšší úroveň. • (Fialové šipky) zpětné ovlivnění ohledně možné nesprávného rozhodnutí prediktivních neuronů. Vizuální paměť Vizuální paměť a mnemotechnika Učení a emoce Yerks, Dodson, 1908 Parsons, Stöffler, & Danysz, 2007 Popularizační doporučení? • Lépe zapamatovatelné jsou smysluplné obsahy a logické celky což může vést ke zkreslování vzpomínek. • Při začleňování nových informací se totiž proměňují i stávající znalosti. • Lépe se také pamatují poznatky, které mají citový nádech a které jsou často vybavovány. • Vizuální představy pomáhají v ukládání a vybavování si dlouhodobé paměti. • Kvalitní a nepřerušovaný spánek podporuje proces LTP.