Psicobiologia - Appunti

Psicobiologia: neurofisiologia dell'apprendimento e della memoria

Il luogo fondamentale per la formazione degli elementi mnesici è la sinapsi: qui è possibile modificare, in funzione dell’esperienza, attività, risposte, mediatori chimici, recettori in modo da rendere l'attività diversa in seguito a un segnale periferico che insiste nel tempo o che si correla bene con altre componenti: l'apprendimento e la memoria.

Modelli mentali e struttura organica

Per affrontare un discorso sulla struttura organica è necessario avere dei modelli mentali. Questo non è sempre un esempio perché oggi si cerca di sminuire tutta la componente interpretativa della psicologia, della psicanalisi per favorire gli studi strutturali e funzionali, ad esempio si va a vedere come risponde l'encefalo dell'uomo a sollecitazioni psicologiche di diversa natura e si vede dalla struttura quello che succede.

Ma l'analisi della struttura in realtà non ci dice niente se non abbiamo un'idea di come interpretare il reale e per quanto riguarda la memoria l'idea l'abbiamo perché dobbiamo in qualche maniera classificare i diversi tipi di memoria e vedere come avvengono. Innanzitutto, una sequenza temporale: esistono aspetti che si apprendono subito, in alcuni minuti o forse ore.

Memoria a breve e lungo termine

Memoria a breve termine come consolidamento di un'informazione che però tende a svanire, a non rimanere. Se però l'informazione si mantiene nel tempo e dura, diventa memoria a lungo termine. Due momenti diversi che poi si possono mettere in serie o in parallelo, qualche volta si può passare alla memoria a lungo termine direttamente. Bisogna comunque tenere presente che nello schema mentale ci sono due momenti diversi.

Tipi di memoria

Abbiamo poi qualità diverse:

• Memoria dichiarativa
• Memoria non dichiarativa

La memoria dichiarativa è quella a cui facciamo più riferimento, è la memoria dei fatti, delle emozioni, degli eventi, la storia delle cose che avvengono, fanno tutte parte della memoria dichiarativa. Ovviamente dentro la memoria dichiarativa possiamo riconoscere anche gli aspetti simbolici. Quindi una memoria che si arricchisce, anche di nuovi significati.

Lo schema riporta in basso il modo in cui probabilmente la memoria dichiarativa si organizza:

• La parte mediale del lobo temporale
• Il diencefalo frontale

La memoria non dichiarativa che rimane implicita, è quella che:

• Modifica o induce il riflesso condizionato,
• Modifica i riflessi incondizionati e organizzati geneticamente
• Determina procedure.

In questo gruppo di memoria non dichiarativa possiamo riconoscere diversi aspetti fondamentali perché lo studio di questi aspetti è differenziato:

• Apprendimento NON associativo: qualcosa che si ripete nel tempo senza bisogno di associarsi a nient'altro. Prevede due eventi molto importanti:
  • Assuefazione: uno stimolo se si ripete nel tempo, dopo un po’ non dà più risposta → il riflesso viene assuefatto.
  • Sensibilizzazione: abbiamo un incremento della risposta, il riflesso diviene sempre più efficace.

Condizionamento e strutture coinvolte

Quindi l'arco riflesso classico (un po' tutti i riflessi e le aree centrali che mediano questi riflessi) possono andare incontro a assuefazione e sensibilizzazione. Lo studio di questi meccanismi è fondamentale e ha aperto la strada agli studi sulla plasticità e modificabilità del sistema nervoso.

Poi abbiamo il classico riflesso condizionato. Il condizionamento può essere semplicemente d'associazione o operativo (con reward e compenso). Abbiamo diversi tipi di condizionamento:

• Classico: quello di Pavlov, il suono del campanello associato all'odore stimola la salivazione
• Operante: l'animale va a premere il pulsante e premendo quel pulsante, ottiene il cibo; c'è quindi l'azione operante del soggetto.

Le strutture:

• Cervelletto: funzione motoria, per gli schemi motori. È la struttura che apprende per feedback e poi corregge eventuali errori, porta poi l'informazione corretta, consolidata a diventare qualcosa di solido e permanente. Ciò permette il feedforward, cioè di anticipare la risposta, non c'è bisogno di aspettare l'errore ma il comportamento predice quello che accadrà.
• Più complesso e legato alle strategie è nucleo striato siamo a livello dei nuclei della base, nuclei connessi alla corteccia motoria quando sono danneggiati producono danni notevoli sia del movimento volontario che involontario e anche l'apprendimento. Definiscono anche strategie tattili. Un continuo meccanismo di apprendimento; in questi nuclei non ci sono soltanto le direzioni al movimento, ci sono anche attività che segnalano adeguatezza del gesto, scariche che avvengono dopo il movimento, provvedono a un consolidamento delle risposte → strategie motorie e tattili-motorie.

Sia al livello del cervelletto, che dell'amigdala, del nucleo striato, del lobo temporale avvengono dei fenomeni molto importanti di potenziamento e depressione delle risposte, meccanismi che consentono l'associazione e chiamiamo questi meccanismi:

• Long Term Potentiation
• Long Term Depression

Strutture importanti sono: il cervelletto, l’amigdala, situata vicino all'ippocampo, una struttura allungata, molto importante per la formazione della memoria. Ci sono delle aree dove questi meccanismi di consolidamento si concentrano un po’ di più ma è evidente che sono presenti un po' ovunque.

Processi di memoria sensoriale

Dunque un’informazione sensoriale entra nel sistema nervoso e produce un effetto di memoria, se io vi faccio vedere per pochissimi istanti un’immagine questa rimane per pochissimo tempo nel vostro sistema nervoso, c'è una persistenza che potremmo associarla a meccanismi puramente recettoriali e periferici ma non solo anche centrali che possono mantenere per alcuni secondi l'informazione.

Questa informazione si mantiene e si consolida fin quando non si forma una memoria a breve termine, la quale se viene consolidata si trasforma in una memoria a lungo termine che attiva un meccanismo in serie o uno in parallelo

• Memoria a breve termine
• Memoria a lungo termine: qualcosa che rimane a lungo. Se la memoria a breve termine rimane e si consolida passa a quella a lungo termine attraverso un meccanismo in serie o in parallelo
• Memoria di lavoro è la memoria che ci permette di mettere insieme le informazioni e realizzare la comprensione del reale a livello sensoriale e l'atto motorio nell'ambito del movimento. Per eseguire un movimento ho bisogno di conoscere tutte le cose necessarie affinché questo movimento sia compiuto. Vedo una parola, ho in mente la sequenza e il significato, ho analizzato le lettere e alla fine posso scriverla, ma questo vale per qualsiasi gesto. Per fare questo devo estrarre dalle memorie già presenti gli elementi fondamentali e portarli insieme in un'area che serve a questo, a cui il sistema nervoso può tranquillamente accedere.

Noi non possiamo accedere direttamente alla nostra memoria, noi dobbiamo avere l'opportunità, quando si scrive, si legge, si riconosce una persona, di mettere insieme degli elementi fondamentali per lo svolgimento dell'azione, e quindi devono emergere dal profondo della memoria ed essere accessibili, è come portare su un taccuino le cose fondamentali.

Quindi non è proprio corretto dire che la memoria di lavoro è una memoria a breve termine, lo è nel senso che è qualcosa che viene estratto e mantenuto per breve tempo in un taccuino, non è la memoria a breve termine di cui si parlava all'inizio che invece è la memoria che consente di produrre e consolidare informazioni.

Acquisizione e mantenimento della memoria

Naturalmente quando parliamo di memoria dobbiamo ricordare che c'è qualcosa di importante che mi consente l'acquisizione delle informazioni e permette il consolidamento delle informazioni. Spesso un trauma produce perdita della memoria. Si parla di:

• Amnesia retrograda = dal momento del trauma noi possiamo perdere informazioni acquisite precedentemente;
• Amnesia anterograda = perdiamo informazioni che saranno acquisite successivamente, cioè si può perdere la capacità di acquisire o di mantenere le informazioni.

Riconosciamo due aspetti fondamentali: acquisizione e mantenimento. Si possono alterare i circuiti che contengono informazioni del passato oppure avere intatti tali circuiti ma non essere in grado di acquisire nuove informazioni. Abbiamo quindi strutture che sono fondamentali nell'acquisizione e altre nel mantenimento.

Molto frequente è l'amnesia anterograda, tipica del paziente con Alzheimer, questo mantiene ricordi del passato ma non acquisisce più informazioni.

Esperimento dove c'è un ratto che deve muoversi per cercare un punto finale dove c'è la ricompensa finale: in caso di lesioni più o meno vaste dell’encefalo la probabilità di errore aumenta, troviamo infatti che questa aumenta all'aumentare dell'estensione della superficie lesa. Questo dimostra che la memoria ha una base neuropatologica.

Abbiamo detto che possiamo riconoscere negli apprendimenti degli aspetti biologici ben precisi: l'abituazione e la sensibilizzazione, come primo meccanismo semplice da attivare. Partendo da organismi semplici con poche cellule come l'aplysia, la lumaca di mare, dove è facile registrare l'attività dei neuroni, piccoli, misurabili e visibili fino a esperimenti più complessi sulla LTP in aree molto più complesse come l'ippocampo.

Il fenomeno che si osserva in queste aree è la LTP e la LTD, meccanismi fondamentali dell'apprendimento che richiedono studi più complessi. Esperimenti di grande successo sono stati quelli sul moscerino della frutta, in questo è possibile verificare geneticamente alcuni aspetti della memoria. Parleremo poi degli effetti della LTP e della LTD sui classici riflessi per comprendere l'apprendimento.

Vediamo il primo aspetto della memoria implicita procedurale che determina l'apprendimento non associativo con assuefazione e sensibilizzazione nell'arco riflesso semplice. Esperimenti fatti da Kandel sulla lumaca di mare che presenta un sifone e un apparato respiratorio che tende a ritrarsi ogni volta che un oggetto esterno colpisce il sifone nella parte esterna, una retrazione di difesa, ad esempio se viene colpita da un getto d'acqua si riduce molto.

Sifone → semplice neurone sensoriale, facilmente raggiungibili, troviamo poi piccoli corpi cellulari, possiamo inserire elettrodi e registrare attività → il neurone sensitivo si connette direttamente al motoneurone → il motoneurone attiva muscoli della branchia. Inserisco elettrodi nel corpo cellulare e registro attività, poi mettiamo un altro elettrodo nel motoneurone e registriamo risposta, un potenziale locale che è di maggiore o minore ampiezza.

Se voi stimolate più di una volta questa cellula alla fine la risposta del motoneurone gradualmente diminuisce → abituazione. L'impulso nervoso arriva al terminale ma il terminale libera una quantità decrescente di mediatore chimico. Dunque il mediatore chimico pian piano si riduce e le branchie si contraggono molto di meno. Se ripetiamo stimolazione al sifone, quell'arco riflesso non condizionato stabile subisce modificazione dall'esperienza. Questo è il fenomeno dell’abituazione.

A livello della sinapsi la liberazione del mediatore chimico è legata all'entrata di calcio, i canali del calcio diventano meno liripidi e la liberazione del mediatore chimico si riduce. La probabilità della chiusura è legata, come vedremo anche per la risposta successiva, ad un'azione di canali del potassio dipendenti che vanno a modificare la ? al calcio. Questa è l'assuefazione.

L'altro riflesso si ottiene attraverso la stimolazione di due aree sensoriali capaci di produrre non assuefazione ma una sensibilizzazione, un incremento della risposta. Al sifone questa volta associamo uno stimolo della coda, la stimolazione della coda ha a che fare con questo arco riflesso, la via della coda con il neurone sensoriale, sia a livello del corpo che del terminale va a interagire con l’arco riflesso di cui parlavamo prima.

Se noi stimoliamo in maniera ripetitiva questo sifone vediamo che la risposta tenderà a modificarsi in funzione dello stimolo che si realizza a livello della coda. Non cambia niente a livello del neurone sensoriale, ma cambia molto la risposta della branchia, si contrae sempre di più. Qui abbiamo sensibilizzazione e anche un altro aspetto una interazione etero-sinaptica cioè una seconda via che riesce a interagire con la via principale dell'arco riflesso.

Quello che Kandel ha messo in evidenza è che lo stimolo del capo e della coda va a agire a livello presinaptico del neurone sensoriale, il neurone libera 5-idrossi-triptamina, la serotonina. Questa ha il suo recettore della cellula afferente a livello del bottone terminale del neurone sensitivo → arriva acetilcolina → si attiva proteina G → attiva ciclasi → una proteina chinasi-A (PKA) non attiva diventa fosforilasi e si forma una proteina chinasi. (fosforochinasi)

Questo cambia tutto perché la proteina chinasi attiva sarà in grado di modificare i canali del potassio che tendono a chiudersi, il potenziale sarà più positivo e determinerà in questo modo un'apertura ulteriore dei canali del calcio. C'è una depolarizzazione che non termina subito, il potassio riuscendo ripolarizza, se abbiamo alterazione di questi canali, il potassio non esce dalla cellula e il potenziale rimane più alto, si prolunga nel tempo e andrà a interagire con i canali voltaggio dipendente del calcio. Se il calcio entra di più, avremo una maggiore liberazione di ioni e quindi maggiore liberazione di mediatore chimico e quindi risposta maggiore.

Questa è la sensibilizzazione, meccanismo più complesso (la PKA da inattiva diventa attiva, modifica canali del potassio e poi quelli del calcio). L'interneurone serotoninergico che scende dalla via della coda o del capo produce una modificazione sinaptica. Questo è il primo evento ed è un evento che possiamo collocare nell'ambito della memoria a breve termine.

Ma lo studio di Kandel è andato più in là e ha fatto vedere come la sensibilizzazione legata a 5-HT che tende a modificare l'AMP ciclico, ha un effetto più complesso: la formazione di 5-HT riesce anche a attivare attraverso AMP ciclico una macchina che è in grado di interagire con il nucleo cellulare. Per la prima volta un problema puramente funzionale e temporalmente limitato diventa un problema che si estende nel tempo e persiste, diventa qualcosa che può diventare a lungo termine perché la MAP chinasi interagisce sia con l'AMP ciclico con cAMP response element binding protein che si trovano all'interno del nucleo e vanno a modificare espressione genetica: prima quella più fragile che ha come effetto la capacità di attivare un’idrolasi che permette mantenimento delle fosfo-chinasi. L'effetto dura un po' di più, non abbiamo soltanto effetto immediato delle fosfochinasi ma dura di più. Successivamente abbiamo un ulteriore intervento delle sostanze più complesse CEBP attiverà altri aspetti nucleari che determinano crescita cellulare, prolungamento dei terminali, aumento numero sinapsi, più terminali per contattare altri terminali. C'è una vera e propria modificazione morfologia della sinapsi. C'è stato bisogno di interagire con la struttura complessa, nucleare.

Fenomeni che avvengono nel terminale sinaptico → fenomeni a breve termine. Fenomeni in cui il segnale si mantiene nel tempo va a interferire con le strutture cellulari e nucleari, con il patrimonio genetico, con attivazione di geni che provocano modificazione strutturale della struttura sinaptica. Abbiamo visto che nel primo caso la 5-HT riduce la sensibilità, nel secondo caso sempre la 5-HT aumenta la sensibilità.

La sensibilizzazione apre un interessante aspetto: questa sensibilizzazione è avvenuta per interazione fra due vie diverse → apprendimento associativo, non si ha apprendimento semplicemente ripetendo qualcosa, ma per associazione, quando una stimolazione si associa a un'altra stimolazione → riflesso condizionato, abbiamo interazione tra due vie diverse SC è la stimolazione dello stimolo condizionato, SI è lo stimolo incondizionato.

Se associamo SC a SI noi abbiamo che, per stimoli vicini nel tempo, le risposte successive crescono e si mantengono se abbiamo associato temporalmente i due segnali, la risposta costituita dalla contrazione della branchia sarà molto più intensa per parecchio tempo. Questo è il primo aspetto, che dunque ci apre a una delle funzioni fondamentali: possiamo distinguere il condizionamento chiamato eterosinaptico, dal punto di vista cellulare, nel quale una via ha interagito con l’altra via ed un condizionamento omosinaptico, quando è della stessa via che si potenzia il segnale.

Vi è una possibilità di apprendimento: la coincidenza temporale diventa fondamentale e lo è per tutte quelle risposte che adesso prendiamo in considerazione, cioè le risposte motorie, l’apprendimento, le risposte del movimento complesso come il cervelletto, con i diversi tipi di condizionamento. Il condizionamento ha queste fasi (?). Si può condizionare un animale se si rispettano le condizioni temporali. Il condizionamento può essere eterosinaptico, quando vie diverse convergono sullo stesso neurone o omosinaptico, se in qualche maniera lo stimolo è così frequente da diventare lui, sullo stimolo successivo, quasi coincidente. La coincidenza poi se ne va e lui coincide.