А.А.Пашков "Проблема памяти в нейронауке и психологии"

1. Проблема памяти в нейронауке и
психологии
ЗПШ-2015, Санкт-Петербург. 2-7 февраля

2. lПамять — фундаментальное свойство живой
материи кодировать, хранить, извлекать
информацию.

3. A taxonomy of mammalian long-term memory
systems
Larry R. Squires, Neurobiology of Learning and Memory (2004)

4. lКонцепция временной организации памяти (D.
Hebb, 1949)
lПамять
кратковременная долговременная

5. lТеория «одного следа и двух процессов»
(McGough J.L., Gold P.E., 1976):
lФормирование собственно энграммы;
lЕё неспецифическое обеспечение
активирующей системой мозга.

6. Роль функционального состояния в фиксации и
воспроизведении энграммы
lТеория активной памяти (Т.Н. Греченко, 1997).

7. lСоотношение понятий
«кратковременная» и «рабочая»
память.

8. lРабочая (оперативная) память — временно
актуализированная система следов памяти,
которая оперативно используется во время
выполнения различных когнитивных действий
и реализации целенаправленного поведения.

9. lПрефронтальная кора причастна к операции
считывания нужной информации из места
постоянного хранения (височные и теменные
ассоциативный области) и её сравнения с
действующим стимулом.

10. lГлавный модулятор префронтальной коры —
ДА-эргическая система.
lДофаминовая модуляция нейронов ПФК
осуществляется через особый тип
дофаминовых рецепторов — D1R.

11. lПочему мы не помним или очень быстро
забываем свои сновидения?

12. lИнактивация ПФК;
lУсиленная работа лимбической системы +
частично слуховой и зрительной коры;
lРедукция высвобождения серотонина (raphe
nucleus) и норадреналина (locus coeruleus) =
ослабевает подкрепление.

13. lКак формируется декларативная
эмоциональная память?

14. lСенсорный сигнал из внешнего мира (MTL) и
сигналы о состоянии внутренней среды (Hpt)
конвергируют на нейроны амигдалы, изменяя
их синаптические связи.

15. lКак возникает гиппокампальный тета-
ритм?

16. lСенсорный сигнал достигает нейронов
гиппокампа в СА1 через энторинальную кору, а
затем через зубчатую фасцию и нейронов СА3.
lРеакция гиппокампа активирует латеральный
септум, а через него и ретикулярную
формацию, которая в свою очередь
инициирует генерацию тета-ритма.

17. lГиппокамп, скорее, менеджер долговременной
памяти. Участвует не столько в формировании,
сколько в манипуляциями энграммами (Е.Н.
Соколов, 1997).

18. lНейронные феномены пластичности:
lГабитуация;
lСеситизация;
lКлеточные аналоги ассоциативного обучения;
lПейсмекерные механизмы;
lLong-term potentiation (LTP);
lLong-term depression (LTD).

19. Биохимические процессы в пресинаптическом
нейроне
Вход ионов Ca2+ кальций-кальмодулин
аденилатциклаза цАМФ активация
протеинкиназ
Протеинкиназа А фосфорилирует белки потенциал-
независимых кальциевых каналов в результате присоединения
к ним фосфатной группы. Это открывает дополнительное
число Ca2+-каналов. В клетку входит еще больше ионов
кальция, что дополнительно увеличивает выход медиатора из
нейрона.

20. Дополнительная 5-HT-модуляция
Внутриклеточной мишенью для серотонина
является аденилатциклаза, за счет которой из
АТФ синтезируется цАМФ.
За счет двойного действия на аденилатциклазу
Са2+ и серотонина возрастает образование
цАМФ.
Далее — активация протеинкиназ.

21. lКиназа А взаимодействует с белками
кальциевых каналов и открывает их для входа
ионов Са2+.
lКиназа С фосфорилирует белки калиевых
каналов, вызывая их закрытые.
Предполагается, что киназы стимулируют
синтез ретроградного мессенджера (NO)

22. lNMDA-рецепторы
lУсловия открытия:
lДеполяризация мембраны;
lПрисоединение глутамата.

23. lПамять и экспрессия генов.
lНачальная фаза — активация «ранних» генов
(c-fos, c-jun);
lПродукты «ранних» генов индуцируют
экспрессию «поздних» генов.

24. lЭкспрессия «ранних» генов возникает на
начальных стадиях обучения и с
автоматизацией навыка исчезает
l(Анохин К.В., 1997).
lЧем труднее идет обучение, тем сильнее
выражена их экспрессия.

25. lПодчеркивается общность молекулярного
каскада экспрессии генов при обучении и
развитии.
lПри обучении комбинация экстраклеточных
сигналов вызывает реэкспрессию генов,
бывших активными на стадии созревания и
онтогенетического развития организма.

26. Successful retrieval from memory (at least in the case of recently acquired
information) occurs when brain activity comes to resemble (reinstate) the brain
state that was present during original learning (Polyn et al., 2005; Gelbard-Sagiv
et al., 2008)
Amygdala exerts an important modulatory influence on both declarative and
nondeclarative memory (McGaugh and Roozendaal, 2009).
Activity in the amygdala, and the effect of this activity on other structures, is
responsible for the fact that emotionally arousing events are typically remembered
better than emotionally neutral events. This phenomenon has been studied in detail
and depends on the release of stress hormones (including epinephrine) from the
adrenal gland, which then influence the forebrain via the vagus nerve and the
nucleus of the solitary tract.
Ultimately, the effect is mediated by beta-adrenergic receptors in the basolateral
nucleus of the amygdala.

27. lPKM-ζ — молекула памяти?
PAUL W. FRANKLAND & SHEENAA. JOSSELYNMemory and the single moleculeNature, 2013

28. lРитмы мозга

29. Синхронная активность осцилляторных сетей
сейчас нередко рассматривается как
промежуточное звено между активностью
отдельного нейрона и комплексным поведением
(G.G. Knyazev, 2012).

30. lДельта, тета и
lальфа-ритм
l(генерализованность)
Осцилляторные системы
мозга
lБета и гамма-ритм
l(локальность)

31. Осцилляции — механизм интеграции
церебральной активности, который необходим
только в случае наличия большого мозга, т. е. у
позвоночных, за исключением беспозвоночного
cephalopod, имеющего большой мозг.

32. Нейрональный синтаксис
Синтаксис — это набор принципов, которые позволяют генерировать
богатые комбинации из ограниченного числа элементов, используя
минимальный набор правил.

33. G. Buzsaki, 2012
Благодаря двусторонним и сильно ветвящимся
соединениям нейронов по всему головному мозгу,
результаты локальных вычислений широко транслируются
по всему его объему.
«Start-stop» функция нейронных осцилляций заключается
в способности «разрезать» непрерывный поток
информации на куски, удобные для обработки.
Спайковая активность нейронов рассматривается как одно
событие, если спайки нейронов происходят в пределах
временного окна (от 10 до 30 мс), в пределах одного гамма-
цикла — длительность цикла около 25 мс (40 Гц).

34. G. Buzsaki, 2012
Множественные гамма-циклы, каждый
содержащий свои собственны нейронные
ансамбли, можно представить как
«нейрональные буквы», из которых можно
составлять слова и тексты.
Отдельные пакеты гамма-осцилляций часто
группируются с помощью медленных
осцилляций посредством фазового связывания.
Пример «нейронального слова» — гамма-
осцилляции, которые могут быть модулированы
тета-ритмом в пределах одного тета-цикла.

35. Rodrigo Quian Quiroga,
2012

37. Association of related concepts relies on overlaps in the networks
representing them.
For example, within a cell assembly firing to Luke Skywalker, some neurons may also fire to Yoda.
Other ‘Luke Skywalker neurons’ may also fire to Darth Vader, another character of Star Wars.

38. Retrieving memories to make decisions

39. Howard Eichenbaum, Neuron, 2013.
Replay
lMore replays occurred preceding subsequent correct choices than
incorrect choices and, in the latter, the likelihood of replay was at chance
level.
lReplays were common early in learning but no longer appeared when rats
had mastered the task.
l The occurrence of replays is greater after novel experiences

40. Hippocampal replay reflects the retrieval of multiple relevant
memories that can be evaluated to guide the correct subsequent
choice, and this is of particular value early in learning.
Howard Eichenbaum, Neuron, 2013.

41. Hippocampus

42. Frederick L. Hitti & Steven A. Siegelbaum, Nature, 2014

43. Two popular views on
hippocampal function

44. György Buzsáki & Edvard I. Moser, 2013
We hypothesize that the
mechanisms for
representing a path
through an environment
are similar to those used
to represent sequences
in memory

45. A fundamental difference is that while the navigation system can
rely on environmental or body-derived cues (проприоцепция), as it
does in invertebrates, ‘simulated’ or ‘internalized’ travel requires
internally generated cell assembly sequences.

46. When animals are immobilized, hippocampal neurons
prominently encode nonspatial events (Berger et al., 1983;
Mac-Donald et al., 2013; Naya and Suzuki, 2011) and when
animals are still following movement to locations where
salient events occur, hippocampal neurons are driven by
specific events in particular places (e.g., Moita et al., 2003;
Komorowski et al., 2009; Itskov et al., 2011).

47. H. T. Blair, Science, 2014
A newly discovered population of neurons called island cells may be important
signaling hubs within neural microcircuits for memory.

48. Michael A. Yassa1 and Craig E.L. Stark, 2011

49. The dentate gyrus (DG) and area CA3 of the hippocampus have been long
hypothesized to perform pattern separation and pattern completion,
respectively.
Area CA3 receives input from the DG, the entorhinal cortex, and, most
strikingly, itself. The fact that CA3 projects to itself implies that it has the
ability to perform autoassociation.
David Marr was the first to suggest that recurrent collaterals enable a
region to act as an auto-association network capable of pattern completion,
the process by which incomplete or degraded representations are filled-in
based on previously stored representations.
Pattern separation, whereby similar representations are stored in a distinct,
non-overlapping (orthogonalized) fashion.

50. Model of long-axis hippocampal specialization
J.Poppenk, H.R. Evensmoen, M.Moscovitch and L.Nadel, 2012.

51. Differential network
interactions during
encoding,
consolidation and
recall.
Matthew W. Jones and Thomas J.
McHugh, 2011.

52. When an animal is resting, sequences of neural activity in its brain resemble
those that took place during a previous experience, suggesting that the experience is replayed. Dragoi
and Tonegawa show that resting mice also ‘preplay’ activity sequences that are predictive of subsequent
activity in environments never visited before.
Edvard I. Moser and May-Britt Moser, Nature, 2011.

53. Optogenetics

54. J.B. Aimone, W.Deng and F.H. Gage, 2010

55. Three Models of Systems Consolidation
(Sam McKenzie and Howard Eichenbaum, Neuron, 2011)
The dependence
of cortical
networks on the
hippocampus is
indicated by the
arrows (dark =
strong; gray =
weak; open =
no dependence).
Throughout, red
indicates a
network
disrupted by
amnesic agents.

56. Consolidation as Semantic Transformation
С этой точки зрения, память, которая изначально сохраняется в
кортикально-гиппокампальных сетях, определяется как контекст-
специфичная, а повторные реакцивации создают множественные
энграммы, из которых общая информация извлекается и
интегрируется в уже существующие семантические сети коры. И в
конце концов, кортикальные репрезентации, которые являются
общими для воспоминаний, уже не зависят от гиппокампа (т. к.
сформировалась новая сеть на уровне коры), но воспоминание
эпизодических деталей продолжает зависеть от кортито-
гиппокампальных связей.

57. Consolidation as schema modification
Непосредственно после обучения гиппокамп является критически
важным для поддержания вновь образовавшейся памяти и важен для
полной детальной проработки эпизодических моментов уже
имеющейся памяти (pre-existing memory).
Вновь приобретенная память не хранится в изоляции, а встраивается
в схему уже существующих знаний. В отличие от модели
семантической трансформации, схемы не разделяют семантическую
и эпизодическую память.

58. Reconsolidation
Реконсолидация — это обновление информации. Оно
может проходить двумя путями: дестабилизацией энграмм
уже существующей памяти или же модификацией
содержания оригинальной памяти с помощью добавления
нового материала. Общим среди всех этих взглядов
является идея, что реконсолидация — это механизм, с
помощью которого изначально консолидированная память
может измениться при новом обучении.

59. A schema appears to act as a catalyst for
consolidation, affecting interactions between
mPFC, MTL and other neocortical regions, and
possibly increasing the likelihood or effectiveness
of replay of congruent information.

60. Marlieke T.R. van Kesteren, Dirk J. Ruiter, Guillen Fernandez and
Richard N. Henson, 2012
SLIMM-model (schema-linked interactions between medial
prefrontal and medial temporal regions).
Within SLIMM, the main function of the mPFC is to detect the
congruency of new information with existing information in neocortex,
which we term resonance by schemas, whereas the MTL is important
for detecting the type of novelty associated with an incongruent
schema.

61. The high activity in mPFC inhibits activity in MTL and conversely.
In this (incongruent) case, SLIMM predicts that you are also likely
to remember the pairing of PlasticDuck and Bakery, but for a
different reason.

62. Mental time travel
Foresight requires some memory capacities, and memorysystems have
been shaped, in part, by natural selection for better prediction.
From an evolutionary perspective, however, memory capacities can only
be selected on the basis of what they contribute to survival and
reproduction, whether or not they accurately reflect the past.
We may be able to recollect past events only because this mechanism
allows us to imagine future events.

63. Clayton
and Dickinson
They showed that these birds adjust their behaviour according to what food
was stored where and when.

64. След памяти, опосредованный гиппокампом, заполнен тем
сознанием, которое сопровождало исходный опыт (Э.Тульвинг
назвает это аутоноэтическим сознанием).
Theorists have argued that mental time travel is a goal-directed and
intentional process thatrequires the engagement of executive functions
located to the prefrontal cortex.
Episodic memory evolved not to provide a faithful record of the
past, but rather to provide the material from which to construct
detailed scenarios for the future.

65. It has been suggested that an animal might be considered to
demonstrate episodic memory if it can be shown to remember
what happened, where it happened, and when it happened ( the
www criterion).

66. D.L. Schacter, D.R. Addis and R.L. Buckner, 2007
Past and future thinking

67. Незатронутые темы: память и deja vu
lПредисловие:
Recognition memory relies on two processes: familiarity, being
simply the knowledge that an item has already been encountered;
and recollection, which involves remembering contextual episodic
detail (Squire et al., 2007).

68. lA second hypothesis could be that dejа vu is related to abnormal
activation of MTL regions (including both subhippocampal and
hippocampal regions) (Moulin et al., 2005; O’Connor and Moulin,
2008, 2010).
lSpatt proposed that déjà vu could be related to isolated dysfunction
of anterior subhippocampal structures, leading to the illusion of déjà
vu (Spatt, 2002).
This hypothesis concerning the origin of dejа vu could thus be that
of isolated dysfunction of a ‘familiarity system’ dependent on
anterior subhippocampal structures.

69. Контакты
89090805706
Комната 235
pashkov-anton@mail.ru

70. Благодарю за внимание!