第五章學習與記憶的神經(jīng)生物學

第五章學習與記憶的神經(jīng)生物學第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第五章學習與記憶的神經(jīng)生物學第一節(jié)概述第二節(jié)傳統(tǒng)的理論研究第三節(jié)學習與記憶的神經(jīng)基礎第四節(jié)學習和記憶與突觸可塑性第五節(jié)學習與記憶的分子機制第六節(jié)學習和記憶過程的調(diào)控第七節(jié)記憶障礙第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)概述一、學習和記憶學習：指人和動物獲得關(guān)于外界信息的神經(jīng)過程。記憶：人和動物將獲得的外界信息貯存和讀出的神經(jīng)過程。二、進展情況（一）整體（行為）水平（二）細胞水平（三）分子水平三、學習和記憶的分類（一）學習類型（二）記憶類型第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（一）學習類型

1、聯(lián)想式學習（聯(lián)合型學習）：指刺激和反應之間建立聯(lián)系的學習，即由兩種或兩種以上刺激所引起的腦內(nèi)兩個以上的中樞之間的活動形成聯(lián)結(jié)而實現(xiàn)的學習過程。典型的聯(lián)合型學習：嘗試與錯誤學習、經(jīng)典條件反射和操作性（工具性）條件反射2、非聯(lián)想式學習：在刺激和反應之間不形成明確聯(lián)系的學習形式。典型的非聯(lián)合型學習：習慣化和敏感化。（1）習慣化：指當一個不具有傷害性刺激重復作用時，機體對該刺激的反射性行為反應逐漸減弱的過程。（2）敏感化（假性條件化）：強的刺激引起一定的傷害后，同類的弱刺激引起反應增強的現(xiàn)象。第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一嘗試與錯誤學習桑戴克（E.L.Thorndike，1847～1949)問題箱、迷津箱（T與Y迷津）桑代克用木條釘成的箱子里，有一能打開門的腳踏板。當門開啟后，貓即可逃出箱子，并能得到箱子外的獎賞——魚。試驗開始了。一開始，餓貓進入箱子中時，只是無目的地亂咬、亂撞，后來偶然碰上腳踏板，餓貓打開箱門，逃出箱子。學習行為形成的指標是動物通過嘗試與錯誤的經(jīng)驗積累，使正確反應所需的時間逐漸縮短。效果律：在嘗試與錯誤式學習中，具有生物學或社會強化效果的聯(lián)想能較快形成與鞏固，就是效果律；練習律：對某一類情景的各種反應中，只有那些與情景多次重復發(fā)生的行為才能鞏固和加強，就是練習律。

第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)典條件反射巴甫洛夫條件刺激（CS、無關(guān)刺激、鈴聲）非條件刺激（US、食物）第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一操作式條件反射(instrumentalconditionedreflex)

斯金納（B.F.Skinner，1904-1990

）學習是刺激（S）與反應（R）之間的聯(lián)結(jié)，并在腦內(nèi)伴隨著聯(lián)想的出現(xiàn)。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（二）記憶類型1、陳述性記憶和非陳述性記憶（1）陳述性記憶——外顯記憶（explicitmemory）（2）非陳述性記憶——內(nèi)隱記憶（implicitmemory)2、短時記憶和長時記憶（1）短時記憶（2）長時記憶3、工作記憶與參考記憶（1）工作記憶（操作性記憶）（2）參考記憶第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)傳統(tǒng)的理論研究一、腦等位論與機能定位論的統(tǒng)一（一）腦等位論1917年，美國學者拉什利（KarlSpencerLashley）均勢（等位性）原理總體活動(整體性)原理巴甫洛夫（二）.機能定位論加爾（FranzJosefGall1758-1828）：顱相說。失語癥的臨床研究。20世紀40-50年代，定位說得到進一步的發(fā)展。二、暫時聯(lián)系與異源性突觸易化第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一二、暫時聯(lián)系與異源性突觸易化（一）巴甫洛夫：認為條件反射建立的基礎是條件刺激和非條件刺激在腦內(nèi)引起的興奮灶間形成了暫時聯(lián)系（二）50－60年代，細胞電生理學與電子顯微鏡的超微結(jié)構(gòu)研究：異源性突觸聯(lián)系

（三）80年代末期，腦生物化學研究

當代神經(jīng)科學認識到暫時聯(lián)系的形成，是神經(jīng)元的普遍機能特性，它的生理學基礎是大量異源性突觸間的易化――異源性突觸易化。第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)學習與記憶的神經(jīng)基礎一、參與學習與記憶的腦結(jié)構(gòu)（一）海馬與學習記憶（二）杏仁核和學習記憶（三）間腦與記憶加工（四）聯(lián)合皮層與學習記憶（五）小腦的學習與記憶功能二、記憶的痕跡理論三、腦的記憶系統(tǒng)（一）陳述性記憶的神經(jīng)回路（二）非陳述性記憶的神經(jīng)回路第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（一）海馬與學習記憶1、海馬損傷的研究工作2、海馬在學習記憶中的功能第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一海馬損傷的研究工作（1）H.M.病例

順時性遺忘：不能回憶緊急產(chǎn)生的記憶缺失后一段時間內(nèi)所經(jīng)歷的事情。（2）大鼠走迷宮行為實驗（3）海馬在學習記憶過程中的電生理變化實驗

Thompson（湯姆遜）（1976年）

（4）延遲性非配對樣品的記憶實驗Mishkin第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一海馬在學習記憶中的功能（1）海馬對建立環(huán)境的空間位置記憶有特殊作用，（2）海馬在考察環(huán)境刺激的耦合關(guān)系中起主要作用。（3）海馬和杏仁核是感覺體驗轉(zhuǎn)化為記憶的關(guān)鍵部位。第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（二）杏仁核和學習記憶（1）把感覺體驗轉(zhuǎn)化為記憶的另一關(guān)鍵部位。（2）在記憶匯合過程中有重要作用。第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（三）間腦與記憶

加工間腦中的丘腦前核、丘腦背內(nèi)側(cè)核和下丘腦乳頭體參與認識記憶1959年，美有一個21歲的雷達技師N.A.逆行性遺忘：不能回憶受傷前一段時間內(nèi)發(fā)生的事情，但對較早發(fā)生的事情仍能回憶。1889年，Korsakoff遺忘癥

第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（四）聯(lián)合皮層與學習記憶1、顳下聯(lián)合皮層顳下回可分為兩部分，遠離枕葉的部分與三維物體的認知學習有關(guān)，與枕葉距離較近的部分與二維圖形鑒別學習有關(guān)。猴的延緩物體不匹配實驗2、前額葉聯(lián)合皮層1935年，杰克遜的延緩反應和交替延緩反應實驗前額葉聯(lián)絡區(qū)皮層與時間和空間關(guān)系的復雜綜合功能有關(guān)?？偨Y(jié)：前額葉聯(lián)合皮層與運動學習行為、復雜的空間關(guān)系的學習、記憶有關(guān)；顳、頂枕聯(lián)合皮層與感覺記憶學習和空間關(guān)系的學習記憶有關(guān)

第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（五）小腦的學習與記憶功能小腦與快速運動反應性學習與記憶有關(guān)Thompson的瞬膜反射的進一步實驗發(fā)現(xiàn)，損毀海馬結(jié)構(gòu)，并不影響已建立的瞬膜條件反射，但損毀小腦皮層，則完全不可能建立瞬膜條件反射，已訓練好的反射也會消失

第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一二、記憶的痕跡理論1949年，加拿大神經(jīng)心理學家Hebb（赫布）提出了記憶痕跡理論。內(nèi)容：短時記憶的腦機制是腦內(nèi)神經(jīng)元快速形成的反響回路；長時記憶的生理機制可能是腦內(nèi)逐漸形成的生物化學與突觸結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化。這種理論認為：短時記憶是腦內(nèi)神經(jīng)元回路中電活動的自我興奮作用所形成的反響振蕩，這種反響振蕩可能很快消退，也可能由外部條件促成腦內(nèi)逐漸發(fā)生著化學的或結(jié)構(gòu)的變化，從而使短時記憶發(fā)展成長時記憶。（一）短時記憶的反響回路（二）長時記憶的生化基礎（三）記憶痕跡的腦形態(tài)學基礎第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（一）短時記憶的反響回路證據(jù)電休克處理對短時記憶的影響說明：反響回路的概念對記憶痕跡的保存提供了部分的回答。如果反復記憶，導致短時記憶向長時記憶轉(zhuǎn)化。神經(jīng)解剖學表明反響環(huán)路確實存在1958年，伯恩斯（Berns）制作了孤立大腦皮層白鼠跳臺實驗（Jarvik等）第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一(二)長時記憶的生化基礎核糖核酸（RNA）與學習H.Hyden（1960）最早報道了關(guān)于記憶與RNA關(guān)系的實驗結(jié)果及其理論設想。海登：大鼠走鋼絲實驗(1959)學習訓練后引起腦細胞內(nèi)RNA變化（1959）伯恩（1970）以渦蟲為實驗對象進行“遷移”研究。

RNA假設RNA的重要功能是合成蛋白質(zhì)，RNA與長時記憶痕跡的關(guān)系問題，自然包括含著蛋白質(zhì)合成與記憶關(guān)系問題。即長時記憶痕跡的形成，合成新的蛋白質(zhì)是必需的。第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（三）記憶痕跡的腦形態(tài)學基礎1、突觸前的變化包括突觸小體的數(shù)目、大小方面的變化，以及神經(jīng)遞質(zhì)的合成、儲存、釋放等環(huán)節(jié)。

2、突觸后變化包括受體密度、受體活性、離子通道蛋白和細胞內(nèi)信使的變化，突觸后的反應性和敏感性的改變，增加了敏感就會使同樣數(shù)量的神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生更大的效果。

3、形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化包括突觸的增多或增大，樹突的大小、傳導性及其內(nèi)部的化學組成的改變。第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（一）陳述性記憶的神經(jīng)回路邊緣系統(tǒng)中內(nèi)側(cè)顳葉、內(nèi)側(cè)丘腦、內(nèi)側(cè)額葉第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一（二）非陳述性記憶的神經(jīng)回路紋狀體第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)學習和記憶與突觸可塑性一、學習記憶與突觸結(jié)構(gòu)的可塑性（一）低等動物學習訓練中突觸的解剖學變化

（二）哺乳動物學習過程中樹突觸數(shù)目的變化1966年，Rosenzweig（洛森茲威格）“豐富化、貧乏化環(huán)境”養(yǎng)育實驗二、學習記憶與突觸傳遞效能的可塑性三、學習記憶過程中突觸結(jié)構(gòu)可塑性與突觸功能可塑性的關(guān)系第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一Alkon：美國神經(jīng)疾病傳染病研究員，1988年實驗海參結(jié)果：光感受神經(jīng)元聚集起來了，并且有著最緊密的聚集末端，在聚集過程中該細胞減少了某些聯(lián)系并放大了傳給較少數(shù)細胞的信號。第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一“豐富化、貧乏化環(huán)境”養(yǎng)育實驗21天的大鼠分成三組，飼養(yǎng)在不同的生活環(huán)境豐富環(huán)境枯燥環(huán)境(即隔離環(huán)境)標準飼養(yǎng)條件結(jié)果：豐富環(huán)境下：腦皮層較重較厚，特別在枕區(qū)，而且皮層比腦其它區(qū)域增加的重量，按比例計算較重，腦內(nèi)神經(jīng)元大,樹突分枝多，腦內(nèi)乙酰膽堿脂酶和膽堿脂酶的活動水平較高，RNA/DNA的比值增高。標準環(huán)境下的大白鼠其特征介于另外兩組之間。在豐富條件下飼養(yǎng)的大鼠在解決問題方面的能力，較其它兩組動物為強。豐富環(huán)境枯燥環(huán)境第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一

二、學習記憶與突觸傳遞效能的可塑性

（一）突觸傳遞的長時程增強（LTP）

帕帕茲環(huán)路:三突觸回路:長時程增強（LTP）:（二）突觸傳遞的長時程壓抑（LTD）長時程壓抑（LTD）：LTD在學習記憶中的作用（功能）第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一帕帕茲環(huán)路1937年，神經(jīng)生理學家J.W.papez提出即海馬→穹窿→乳頭體→乳頭丘腦束→丘腦前核→扣帶回→海馬第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一三突觸回路

三突觸回路：穿通纖維內(nèi)嗅區(qū)皮層海馬齒狀回苔狀纖維

CA1區(qū)CA3區(qū)第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一長時程增強Lomo（1966）在內(nèi)嗅區(qū)皮層給出一串連續(xù)性或電緊張性刺激，則可在齒狀回記錄到場電位或細胞外電活動，刺激停止后5－25分鐘，再次記錄齒狀回的電反應，不但未衰減，反而增強2倍以上,象這種長時程的突觸傳遞效能改變（易化）的現(xiàn)象稱之為“長時程增強LTP）。一側(cè)性對側(cè)條件反射性LTP

對側(cè)內(nèi)嗅區(qū)電刺激（CS）

+對側(cè)LTP條件反射同側(cè)內(nèi)嗅區(qū)電刺激（