Neurofisiologia II

Memoria e apprendimento

Apprendimento e memoria

Apprendimento: processo mediante il quale acquisiamo la conoscenza del mondo che ci circonda.

Memoria: processo mediante il quale le conoscenze vengono codificate, conservate e infine utilizzate. Non è solo la capacità di rievocare episodi o nozioni; c'è anche una memoria inconscia che porta a eseguire un compito motorio senza rievocare consapevolmente tutti i meccanismi da mettere in atto.

Substrati neurali della memoria

La memoria non si pensava storicamente che avesse dei substrati neurali precisi; le funzioni più complesse si riteneva coinvolgessero il cervello nel suo insieme e che quindi non fosse possibile isolare un singolo sistema responsabile di una sotto-funzione complessa. Lo stesso valeva per il linguaggio, che invece è stato localizzato a livello corticale.

La teoria della memoria diffusa e non localizzabile è stata confutata con gli esperimenti di Penfield (quello che ha scoperto l'homunculus motorio). Con la stimolazione delle aree del lobo temporale di un soggetto mantenuto sveglio (si può fare perché il cervello non ha nocicettori e quindi il paziente viene anestetizzato localmente ma non soffre), Penfield notò che era possibile evocare risposte d’esperienze: il soggetto riferiva di ricordare qualcosa.

Esperimenti e studi sulla memoria

Erano soggetti epilettici, spesso proprio per il lobo temporale, pertanto era ambiguo se il risultato fosse dovuto alla stimolazione delle aree o alla situazione patologica dei pazienti. Questi esperimenti si fanno tutt’oggi. In ambito clinico nella neurochirurgia si fanno interventi con paziente sveglio per ridurre il rischio di lesione in aree. Ad esempio se un soggetto ha un tumore vicino all’area di Broca, si tiene sveglio il soggetto e gli si chiede di eseguire dei compiti per determinare se si sta intervenendo su un’area ancora funzionalmente importante o meno.

Brenda Milner, allieva di Penfield, continuò i suoi studi legati anche alla funzione mnemonica e descrisse le conseguenze di un’asportazione bilaterale dell’ippocampo, amigdala ed altre aree associative del lobo temporale. Asportando queste aree ai pazienti restava la capacità di sviluppare la memoria a breve termine e di mantenere quella a lungo termine acquisita prima dell’intervento. Era però precluso il passaggio delle nuove memorie da breve a lungo termine e quindi il consolidamento delle nuove esperienze. Il soggetto era però in grado di sviluppare ancora un tipo di memoria a lungo termine.

Memoria implicita

• Task motorio: chiedo di disegnare di un’immagine vedendo la propria mano riflessa in uno specchio. Il soggetto migliora la propria prestazione con il numero di prove eseguite. La memoria implicita è ancora in grado di stabilirsi a lungo termine.
• Se però si chiede al paziente come ha fatto a migliorare, il paziente risponderà di non aver mai fatto quel tipo di esercizio → migliora, ma non ricorda di aver esercitato la funzione.
• Se si mostra un elenco di parole e si chiede al soggetto di ripeterle, il paziente fallisce.
• Se si fanno leggere le iniziali delle parole lette, il soggetto riesce a rievocarle, ma manca la consapevolezza di aver letto le parole in precedenza.

→ È conservata la capacità mnemonica riferita ad abitudini, capacità percettive e motorie. Tale capacità non deve, però, richiedere consapevolezza o l’esecuzione di processi cognitivi complessi come il confronto e la valutazione.

Tipologie di memoria

Possiamo parlare di memoria:

• Implicita (non dichiarativa): riguarda le modalità di esecuzione di un atto e viene evocata in modo inconscio.
• Suggerimento: neocortex - Procedurale: striato - Legata a apprendimenti associativi, sia classico che operante.
• Risposte emozionali: amigdala - Muscolatura scheletrica: cervelletto - Legata a apprendimenti non associativi: abitudine e sensibilizzazione, legata alle vie riflesse.
• Esplicita: conoscenza di fatti relativi a persone, luoghi, cose e il loro significato.

La memoria esplicita si suddivide ulteriormente in memoria episodica e semantica. È sempre legata al lobo temporale mediale.

• Episodica: legata a avvenimenti che ci riguardano personalmente e che abbiamo vissuto nel nostro passato.
• Semantica: legata allo studio Ippocampo: arrivano e partono informazioni da/per la corteccia entorinale; è una delle prime aree colpite da degenerazioni in caso di AD.

Memoria e orientamento spaziale

L’ippocampo è molto importante anche per quanto riguarda la memoria legata all’orientamento spaziale. Esperimento: vedo l’attivazione delle aree corticali in base al compito.

Metto un soggetto di fronte a un video chiedendo di memorizzare le strade che avrebbe percorso → coinvolge un carattere orientativo/spaziale e si vede attivazione dell’ippocampo.

Rievocazione di percorsi già compiuti: si attiva ancora l’ippocampo.

In base all’oggetto che viene rievocato e alla sua funzione di attivano aree corticali diversi. Ad esempio se ho memoria di strumenti che richiedono l’arto superiore si attivano anche le cortecce legate all’arto che utilizzerei. Per la memoria fotografica si attivano le stesse aree di quando vedo un oggetto.

Nozioni episodiche o autobiografiche

Lesione delle aree prefrontali causano amnesia delle origini, cioè la dimenticanza del modo in cui una nozione è stata appresa.

Causano inoltre la perdita della memoria episodica riguardo a eventi personali, anche drammatici, che possono essere avvenuti pochi istanti prima. Restano le nozioni semantiche riguardo anche ad avvenimenti della propria vita (es. nome amici, personaggi famosi), ma vengono perse le tracce mnemoniche riferite ad avvenimenti che li riguardi.

Processi di costruzione di nuove memorie

1. Codificazione: concentrare l’attenzione su nuove informazioni.
2. Consolidamento: processi che modificano le nuove informazioni in modo da renderle più stabili.
3. Conservazione: meccanismi di mantenimento dell'informazione appresa.
4. Recupero: richiamare le informazioni conservate in memoria.

La memoria esplicita non è fedele al 100%, perché rimodelliamo le informazioni in base alla nostra esperienza. Se faccio leggere un racconto con elementi incoerenti, di scarsa logicità, e chiedo ai soggetti di ripeterlo: questi correggono inconsapevolmente le parti incoerenti nel momento in cui venivano ripetuti. Le parti corrette sono anche quelle che vengono meglio ricordate.

Memoria operativa

Una sorta di RAM limitata e a brevissimo termine ma veloce nel focalizzare l’attenzione su eventi specifici nell’ambiente circostante. È una sottocategoria di memoria che interessa aree differenti da quella episodica.

Memoria implicita non associativa

• Abitudine: il processo per cui uno stimolo che prima produce una risposta intensa, se presentato ripetutamente nel tempo, riduce la risposta che induce nel soggetto. Si attribuisce un significato sempre più scarso man mano che lo si identifica come innocuo.
• Sensibilizzazione: se si viene in contatto con uno stimolo importante o doloroso, anche successivi stimoli non dolorosi o di scarsa importanza daranno una risposta di intensità maggiore perché si è allertati. È anche detta disabitudine perché può interrompere un’abitudine.

Memoria associativa

Condizionamento classico

• 2 stimoli:
• Incondizionato: dà una risposta fisiologica nel soggetto, in questo caso la salivazione. Nel caso di Pavlov era il cibo.
• Condizionato o neutro: è il campanellino, che di per sé non dà risposta fisiologica nel cane.

Se inizio a suonare il campanellino prima di dare il cibo al cane per varie volte, dopo il training anche solo il suono del campanello può evocare una risposta fisiologica → condizionamento positivo.

Se lo stimolo incondizionato fosse una scossa elettrica, nel momento in cui il soggetto la riceve non va a toccare una levetta nell’ambiente → condizionamento negativo. Se associo alla scarica un tono acustico, anche solo con il tono ottengo l’evitamento del comportamento. Si sovrappone in parte al condizionamento operante.

Condizionamento operante

Il soggetto va a creare un’associazione tra un suo comportamento e uno stimolo nell’ambiente conseguente al suo comportamento. Creando il collegamento, il soggetto modifica il comportamento stesso. È anche definito Skinneriano.

• In una gabbietta di Skinner si può condizionare in:
• Positivo: l’animale esplora l’ambiente circostante, quando urta una levetta viene fornito del cibo. Il ratto sviluppa la consapevolezza del fatto che premendo la levetta riceve cibo. Il ratto deve essere mantenuto affamato, altrimenti viene a mancare la ricompensa.
• Negativo: quando preme la levetta riceve una scossa, man mano si riduce la possibilità di premere la levetta.

Si possono anche condizionare risposte comportamentali inconsce, come l’ampiezza del riflesso H: questa varia per varie ragioni, soprattutto legate alla modulazione da parte delle vie discendenti. Se si dà un premio al soggetto solo quando il riflesso è sopra ad una soglia stabilita, dopo varie stimolazioni si ottiene sempre un riflesso di intensità superiore alla soglia. Può essere utilizzato per curare problemi a livello di questi riflessi (eccessivi o carenti).

Gli apprendimenti non avvengono a prescindere da quale sia l’ambito sensoriale legato alla conseguenza. Se mangio qualcosa che determina nausea, si verifica una diffidenza per l’esca. Ma se si induce la nausea e si cerca di associarvi uno stimolo acustico o visivo, non si crea apprendimento. Quindi l’animale può collegare lo star male al cibo dannoso ma non a un suono o a un’immagine.

Cervelletto e apprendimento

Condizionamento classico del riflesso da ammiccamento del coniglio: se soffio aria su un occhio del coniglio dopo aver suonato un campanellino, ottengo ammiccamento anche solo al suono. Questo tipo di condizionamento viene abolito da lesioni del verme del cervelletto. Resta il comportamento incondizionato (se soffio sull’occhio, si chiude), ma non viene più indotto dal suono. Anche il riflesso vestibolo-oculare viene abolito da lesioni del verme del cervelletto. Se metto lenti forti perdo efficienza del riflesso vestibolo-oculare, ma con l’esercizio lo posso migliorare. Se ledo i nuclei del cervelletto, perdo il guadagno.

Apprendimento implicito-esplicito

Quando c’è una luce, il soggetto riceve una scarica. Dopo un po’ impara a togliere la mano appena vede la luce. Se l’apprendimento fosse solo implicito, avrei solo apprendimento del pattern di attivazione muscolare e se mettessi la mano girata i muscoli attivati determinerebbero un peggioramento (premerei invece di ritrarre la mano). Invece il soggetto ritrae la mano anche se è girata, quindi non ha appreso solo il pattern motorio ma anche il suo significato e lo può adeguare a una nuova situazione.

Memoria a lungo termine

Anche la memoria a lungo termine non ha una sede univoca, si localizza in strutture diverse e si rievoca con velocità diverse in base al tempo che è rimasta in corteccia.

Chiedo a soggetti di riconoscere sigle di trasmissioni televisive famose.

• Linea nera: controllo. La miglior memoria era data in caso di sigle di programmi visti entro gli ultimi 2 anni → È più facile evocare memorie recenti.
• Linea rossa: dopo trattamento elettroconvulsivo. Ledo la possibilità di evocare memorie recenti; i soggetti mantenevano inalterata la capacità di rievocare sigle ascoltate negli anni precedenti. Per quanto la memoria a lungo termine sia più facile da rievocare, è anche quella meno stabile e meno consolidata perché può essere abolita.

Memoria filogenetica

Ci sono tipi di memorie considerate innate, che non richiedono apprendimento dopo la nascita. Ad esempio il comportamento dei pulcini facendo passare sopra il nido sagome che riproducono l’ombra di uccelli predatori o non predatori. I pulcini scappano solo quando l’ombra che passa sopra il nido è riconducibile a quella di un uccello predatore. Il fattore determinante è la lunghezza del collo, molto corto nei predatori e lungo nei non predatori. Quindi il pulcino nasce avendo già innatamente questo tipo di memoria disponibile, pronta per essere evocata e utilizzata per la sopravvivenza.

Memoria e esperienza

Esperimento: chiedo a dei giocatori professionisti e dilettanti di ricordare la disposizione degli scacchi sulla scacchiera. Si nota che i giocatori professionisti hanno un’ottima memoria solo quando la disposizione è verosimile, quando ha un significato di gioco. Quando invece professionisti e principianti vengono posti di fronte a una situazione illogica entrambi hanno circa la stessa percentuale di successo nel ricordare la posizione degli scacchi. La memoria si sviluppa se c’è un particolare interesse nello svilupparlo. Se fornisco con grande frequenza uno stimolo a un soggetto, ma non è interessato allo stimolo, non c’è memoria sviluppata. Ad esempio, se mostro monete da 1 cent e chiedo quale sia quella sbagliata, non c’è stato interesse nel memorizzare la moneta e quindi, anche se ho visto la moneta tutti i giorni, non la so riconoscere.

Motivazione

Aumenta la possibilità di stabilire nuove memorie nel momento in cui questo determina una ricompensa (anche solo la gratificazione). I circuiti legati al riconoscimento delle ricompense sono quelli dopaminergici. Sfrutto il deficit dopaminergico dei soggetti affetti da Parkinson. Mostro a un soggetto un’immagine, quando sceglie il colore giusto riceve soldi. La situazione può essere riproposta varie volte per creare un percorso sempre più lungo che porti alla ricompensa. I pazienti affetti da Parkinson migliorano considerevolmente la prestazione nel momento in cui sono sottoposti a trattamenti con L-DOPA rispetto a quando questo non avviene.

Meccanismi cellulari dell’apprendimento

Le forme di apprendimento più semplici sono quelle legate alla memoria implicita, in particolare quelle associative o non associative.

Abitudine

Osservata nel riflesso di retrazione nell’uomo e nel gatto, caratterizzata in Aplysia (perché in Aplysia? → perché ha un SN semplice, ben conosciuto, ed è possibile replicare dei comportamenti in maniera semplice). Il riflesso diminuiva l’intensità man mano che lo stimolo era applicato. Si ipotizzò che la riduzione di efficacia del riflesso fosse correlata a una diminuzione dell’efficacia della trasmissione sinaptica. Il primo protocollo applicabile è quello che determina insorgenza dell’abitudine:

• 1 neurone sensitivo (gangli che racchiudono quei neuroni sensitivi)
• 1 interneurone (pool interneuonale)
• 1 motoneurone (pool motoneuronale)

Retrazione della branchia: lo stimolo è un leggero tocco del sifone. Il neurone sensitivo riceve lo stimolo tattile dal sifone, va a rilasciare neurotrasmettitori sia sull’interneurone sia sul motoneurone, che determinano retrazione della branchia. Quando somministro ripetutamente lo stimolo non nocivo, osservo un comportamento meno intenso, una retrazione della branchia meno intensa. L’abitudine può permanere a breve o a lungo termine. Se ripeto il condizionamento a pari numero di stimoli a distanza di tempo maggiore, ho una maggiore efficacia per l’apprendimento a lungo termine → è meglio avere pause fra una sessione di apprendimento e l’altra.

Sensibilizzazione

Stimolo doloroso di forte impatto che mette all’erta il SN in modo che anche stimoli innocui successivi determinino una risposta importante. Aggiungo alla circuiteria che mediava lo stimolo innocuo (sifone) la parte che media la comunicazione di uno stimolo doloroso (scossa sulla coda). Il neurone sensitivo dalla coda porta l’informazione a interneuroni facilitatori che prendono contatto con il neurone sensitivo dal sifone in due punti:

• Soma
• Livello presinaptico

Se dopo un periodo di abitudine il tocco del sifone determina leggera retrazione della branchia, dopo una forte scossa alla coda il tocco del sifone determina forte retrazione della branchia. L’apprendimento avviene a livello presinaptico. Sono coinvolti diversi neurotrasmettitori (qui vediamo la serotonina ma il modello resta identico).

Interneurone facilitante

Proviene dalla coda, rilascia serotonina a livello presinaptico sul neurone sensitivo che proviene dal sifone. La serotonina si lega a un recettore metabotropico, una proteina GS che attiva un’adenilatociclasi. Questo fa formare cAMP, che attiva PKA (cAMP dipendenti) → determina la chiusura di canali al potassio facilitando la depolarizzazione del neurone sensitivo ed il release vescicolare. La serotonina si attiva a un recettore associato al DAG → PKC → aumento il release vescicolare. Lo stimolo alla coda va a livello presinaptico a potenziare la via di comunicazione fra il sifone e il motoneurone che innerva la branchia. A livello del soma lo stimolo sul sifone non determina un grande cambiamento del potenziale di membrana, mentre cambia l’EPSP registrato a livello del motoneurone → quindi ho un potenziamento soprattutto a livello presinaptico; lo stimolo è uguale a livello sensitivo ma aumenta l’efficacia nella sinapsi con il motoneurone. → Questo vale per il consolidamento a breve termine. Per il consolidamento a lungo termine viene richiesto un aumento della trascrizione genica, per cui aumenta il numero delle sinapsi. Quando i protocolli di apprendimento sono ripetuti nel tempo il dispendio energetico richiesto da questo processo è giustificato e quindi interviene trascrizione e sintesi proteica.

Condizionamento classico

Il condizionamento classico rappresenta una forma di apprendimento associativo in cui due stimoli vengono associati. Uno stimolo neutro diventa associato a uno stimolo incondizionato in modo tale che il primo inizia a evocare una risposta simile a quella prodotta dal secondo. Esempi classici includono il lavoro di Pavlov con i cani, dove un campanello (stimolo neutro) abbinato al cibo (stimolo incondizionato) alla fine porta il cane a salivare in risposta al campanello da solo.