第五章-学习和记忆神经生物学

第二节 学习与记忆的神经基础

参与学习与记忆的脑结构
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颞叶 海马和杏仁核 间脑 新皮质 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

脑内记忆系统
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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
LTP的特性
LTP具有联合的性质，即在本质上是由两 种不同的、具有一定时间关系的刺激协 同作用产生的。 LTP还具有特异性

学习记忆与突触传递的长时程 压抑
长时程压抑（long-term depression,LTD） 是指突触传递的效率长时程降低。 LTD在运动学习中负担着不断纠正操作 错误的重要作用
– 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

海马是长时记忆的过滤器，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

学习与记忆功能的生物学特性
不变量形成 信息平行处理 结构复杂，高效低耗能

第一节 学习与记忆的分类

记忆的广义定义：指机体所保存的关于 生存的环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

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
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 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 典型方式

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
短时记忆的神经过程 长时记忆的神经过程 短时记忆向长时记忆转化的机制

短时记忆的神经过程

Hebb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)。
第五章 学习和记忆神经生物学
第一节 学习与记忆分类 第二节 学习与记忆的神经基础 第三节 学习和记忆与突触可塑性 第四节 学习与记忆的分子机制 第五节 学习与记忆过程的调控 第六节 记忆障碍

记忆机制简介

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。
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

海马是实现记忆的第一步
间脑与记忆加工
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） 间脑与科尔萨可夫（Korsakoff）综合症

新皮质与记忆
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。 前额叶与记忆的关系

前额叶与记忆的关系
前额叶与空间工作记忆有关系 前额叶与物体工作记忆有关系 前额叶与先后次序的记忆关系密切

额叶与先后次序的记忆关系密 切

Corsi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
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 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
“四肢发达，头脑简单”真的有 道理
适量运动会使人 更聪明 运动过度脑子会变笨

杏仁核在记忆中的作用

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
长时记忆的神经过程

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，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。
突触小泡 神经递质
学习记忆与突触结构的可塑性
突触的生理变化：在学习过程中，有许 多生理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。 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

工作记忆系统

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
NM/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。 NM/EBCC的重要环路

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
Mishkin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”。 梅镇彤等人提出的习得性行为神经调控 的框图
记忆的脑功能定位

20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

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。

杏仁核：负责将感觉体验转化为记忆， 在记忆汇合过程中的作用十分突出 间脑：记忆环路的一个重要环节 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
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

陈述性记忆的神经回路
短时记忆向长时记忆转化的机 制
突触假说 神经胶质假设 生物化学假设

突触假说

Bennult(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”。
生物化学假设

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Байду номын сангаас 性
学习记忆与突触结构的可塑性 学习记忆与突触传递效能的可塑性 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 分子受体 树突

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
记忆研究的理论探讨

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
学习：指人和动物获得外界信息的神经 过程 记忆：将获得的信息贮存和读出的神经 过程 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

– 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
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 种类：经典性条件反射和操作性条件反 射

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。
学习记忆与突触长的效能的可 塑性

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。

陈述性记忆和非陈述性记忆
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 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

短时记忆和长时记忆 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
神经胶质假设

罗森茨威格及其合作者(1964—1967)的 实验揭示，在刺激丰富环境中生长的白 鼠与在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。

前额叶与空间工作记忆的关系
延缓反应任务实验（delayed-response,DR 任务） Jacobsen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 键脑区

前额叶皮层与物体工作记忆的 关系
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 证据来自于延缓样本 匹配任务（delayed matching-to-sample, DMS任务）