课件：脑的高级整合功能.ppt

脑的高级整合功能,整合的概念 学习与记忆的概念 学习与记忆的分类 学习与记忆的机制 生物节律的概念 情感的概念,ZSL,整合（integration） 脑是物质世界高度发展进化的产物，大脑功能（包括学习、记忆）的研究，同生命起源、遗传规律一样，是当代生物科学三大基本理论问题之一。而整合是脑的高级功能的集中体现。 所谓整合，是指神经系统将接受的内、外环境变化的刺激信息，经过分析、加工、综合处理，使机体产生各种功能变化的反应。 在中枢有不同水平的整合。像动机、情绪、学习、记忆以及语言思维这类活动在中枢的整合过程极为复杂，需通过多级、复杂的神经环路而完成，称为高级整合功能。,学习与记忆（learning and memory）,学习和记忆是脑的高级神经活动，是人类认识世界、改造世界必不可少的生理功能，是一个主动过程，已成为智力结构中诸要素的重要组成部分。是思维科学、心理科学和神经科学研究的重要内容。 学习是通过神经系统不断地接受环境变化的信息而获得新的行为习惯（或称经验）即知识的神经活动过程。 记忆是将学习到的知识 进行储存和“读出”的 神经活动过程。,塞万提斯（1547-1616 ）,学习与记忆是两个相互联系的神经活动过程，两者很难截然区分。学习一词侧重行为变化的获得，而记忆则侧重于行为变化的保持和储存。学习是记忆的前提，没有学习就不可能产生记忆；记忆是学习的结果，有了记忆才能更好更快地学习。 学习的类型 主要分为非联合型学习和联合型学习。 非联合型学习（nonassociative learning）是一种简单的学习，指在没有明显意识参与的情况下，主要由非条件反射神经通路完成的学习，即刺激与反应之间不形成某种明确的联系。包括习惯化和敏感化。,习惯化（habituation） 是一种非伤害性的刺激重复作用时，生物体对该刺激的反应性行为逐渐减弱以至最后完全失去反应。如一种声音规律性的重复出现，则不再引起探究反射。人和动物依靠习惯化可以除去许多无意义信息的应答，减少不必要的能量消耗。 敏感化（sensitization） 是指当一个强刺激存在时，神经系统对一个弱刺激的反应有可能变大的现象。这种学习有助于人和动物注意避开伤害性刺激。敏感化又称为假性条件反射，因为在强弱刺激间并未建立固定联系，在时间上也无需二者的结合。,埃里克-坎德尔 (E.R. Kandel ，1929-) 获2000年医学生理学诺贝尔奖,一朝被蛇咬，十年怕草绳。 惊弓之鸟 草木皆兵 风声鹤唳,联合型学习（associative learning） 主要是通过条件反射的训练和建立而获得经验的学习过程，即能在事件与事件之间建立起某种形式的联系。包括经典条件反射和操作式条件反射。 经典条件反射 （classical conditioned reflex） 又称巴普罗夫条件反射。是条件刺激（即无关刺激，如铃声或灯光）与非条件刺激（如食物）之间形成了某种联系，使一种刺激成为预示另一种刺激即将出现的信号。,Pavlov 1849.9.261936.2.17 获1904年医学生理学诺贝尔奖,操作式条件反射（operant conditioned reflex） 即工具性条件反射（instrumental conditioning reflex ）强化生物的自发活动而形成的条件反射，是操作和强化刺激之间形成了联系。举例：动物通过操作工具而获得奖赏或逃避伤害的实验。 斯金纳（Burrhus Frederick Skinner, 1904-1990）,斯金纳认为，学习重要的是要产生后果。如果这一后果容易使这一行为再次发生，这就是一种正强化。如果行为的后果不容易使这一行为再次发生，就是负强化。即正强化促进某一行为的发生，而负强化使动物避免作出某种行为。人们可以有目的地设计强化程序，使人或动物学会某种行为，或控制某种行为的发生。,电击惩罚,奖赏强化,在上述两种条件反射中，动物学会了一种预示关系。在操作式条件反射中，动物懂得了特定的行为反应预示着特定的结果。动机在这种条件反射中起很大作用，其神经回路比起经典条件反射要复杂得多。目前广泛用于动机行为的研究。 在人类，具体的信号如光、声、嗅、味、触等感觉作为条件刺激，建立条件反射，即第一信号；也可由抽象的语词代替具体的信号，形成条件反射，即第二信号。,大脑皮层对第一信号发生反应的功能系统称为第一信号系统；对第二信号发生反应的功能系统称为第二信号系统。第二信号系统是人类区别于动物的主要特征。人的反应可以用语言声音或手势代替具体的强化物。同时，在实际治疗中，只要治疗者对期望的某种行为予以奖励，这种行为就会获得强化，反之就会消退。若施以惩罚，则会加快消退的速度，如厌恶疗法。,记忆的分类,根据信息储存和回忆的方式，记忆可分为陈述性记忆和非陈述性记忆（反射性记忆）。 反射性记忆（reflexive memory） 又称程序性记忆，具有自主或反射的性质，不依赖于意识或认知过程。是与实际操作、亲自实践有关的记忆，它需要反复从事某种技能的操作，经过长期的经验积累，才能缓慢的保存下来。这种学习后的记忆并不上升到意识，也不易忘却，而且几乎不能用词语表达出来。如某些技巧性动作、习惯性的行为和条件反射等。,陈述性记忆（declarative memory）是指与特定的时间、地点相关的事实、情节和资料的记忆，依赖于对信息获得和回忆的意识表达，依赖于评价、比较和推理等认知过程，它可以用语言陈述或作为一种非语言的印象形式保存在记忆中。例如“我昨天游览了万里长城”。陈述性记忆能较快建立，并能用语言简明地表达出来，但也容易忘却。可分为情景式记忆和语义式记忆。 这两种记忆形式可以转化，如在学习骑自行车的过程中需对某些情景有陈述性记忆，一旦学会后，就成为一种技巧性动作，由陈述性记忆转变为反射性记忆。,反射性记忆与陈述性记忆的区别 反射性记忆 陈述性记忆 不依赖于意识 依赖于意识 难用语言描述 可用语言描述 形成慢不易忘却 易形成易遗忘 结构基础是纹状体等 结构基础是海马等,记忆的过程 人类的记忆可分为4个依次连续的过程，即感觉性记忆（影像记忆）、第一级记忆、第二级记忆和第三级记忆。前两个阶段属短时记忆，后两个阶段属长时记忆。,根据记忆过程可分为三个阶段： 1.识别或获得（registration or acqusition），通过学习在大脑留下记忆痕迹的过程。 2.储存和巩固（storage and consolidation），记忆痕迹由短时不稳定状态逐渐转化为长时间牢固状态并储存下来的过程。 3.再现（retrieval），储存在脑内的记忆痕迹通过回忆或再认方式加以重现。 记忆的长久与信息的意义、选择和反复次数有关。,根据保留时间的长短可将记忆分为三类： 短时程记忆 保留时间仅几秒或几分钟，其长短仅满足于完成某项极为简单的工作，如打电话时的拨号，拨完后记忆随即消失。 中时程记忆 保留时间自几分钟到几天，记忆在海马和其他脑区内进行处理，并能转变为长时程记忆。 长时程记忆 信息的储存可以持续数小时甚至永久，记忆的容量几乎没有限度，牢固，不易受干扰。 短时记忆不巩固，容易受干扰如低温、电休克、麻醉和缺氧等的影响，但长时记忆并不受影响。如大鼠建立迷宫反应后，将其脑部降温到5，持续一定时间复温后,则大鼠仍能保持迷宫反应；但如训练后数分钟或立即进行脑部降温，大鼠的迷宫反应便会消失。,短时记忆又有若干不同的类型： 影像记忆，保持在感觉影像出现后的一秒内。 筛选信息 即刻记忆，可以保持几秒钟。 初级记忆，为一时即过而仍留在意识中的记忆和对事件的选择性注意。这种记忆的时程常常可以由记忆者依赖思维和复述来调控。加工信息 工作记忆（working memory），它是指临时性的“在线”信息感知、调运、整合、储存的一个常用术语。是操作和使用短暂存储在脑中的信息 。如骑在自行车上，要回家（现在身处何处？走哪条路线？需要多长时间？）。,遗忘症（amnesia）,因某些疾病和脑组织损伤所致的记忆障碍，称为遗忘症。注意与生理性遗忘区别。 逆行性遗忘症（retrograde amnesia）：是指对脑损伤前发生的事情的记忆丧失。一些非特异性的脑疾患（脑震荡，电击）和麻醉均可引起本症。 顺行性遗忘症（anterograde amnesia） ：是指对脑损伤后发生的事情不能形成新的记忆。多见于慢性酒精中毒及老年性痴呆。 遗忘的原因：一是条件刺激久不强化，即久不复习所引起的消退抑制；二是其他信息的干扰。,学习和记忆的机制,记忆的物质代表或记忆所在的部位称为记忆印迹 （memory trace）。 一、神经解剖学机制 Lashley的大鼠迷宫实验 1.损伤大脑皮质干扰了大鼠的学习能力。 2.大脑皮质的损毁破坏了大鼠对迷宫路线的记忆能力。 3.损伤大脑皮质的面积越大，大鼠的学习和记忆能力就越差。大脑的所有皮质区域对学习和记忆都同样重要，这就是他的著名的同等能力原理（principle of equipotentiality）。,Lashley的大鼠迷宫实验,Karl S. Lashley (1890-1958),陈述性记忆的新皮层定位 1、猴的颞叶皮质与视觉分辨力关系实验观察： A.训练猴子执行视觉分辨任务操作（分辨猴的脸谱）。 B.记录猴在执行视觉分辨任务时大脑皮层（颞下回）的电活动。 C.刺激执行视觉分辨任务的中枢，观察猴的行为。 D.损毁视觉分辨中枢，观察猴的行为反应，从而了解皮层的中枢与行为的关系。,2019/8/30,31,可编辑,猴的颞叶皮质与视觉分辨力实验结论： A. .猴子可以执行视觉分辨任务操作（分辨猴的脸谱）。 B. 执行视觉分辨任务的中枢位于颞下回。 C.猴的颞下回既是高级的视觉中枢，又是一个记忆的存储区。 2、人类颞叶电刺激实验： A.刺激躯体感觉区，患者有皮肤针刺样感觉；刺激运动皮质引起肌肉的抽搐；刺激颞叶产生幻觉或过去经历的回忆。 B.切除颞叶后，原先刺激的部位所唤起的记忆，可以被刺激其他部位所唤起。,3、大面积切除人类颞叶病例的行为观察： A. 切除一男性青年双侧的内侧颞叶（包括内侧颞叶、杏仁体、海马的前2/3），癫痫发作成功缓解。 B.术后患者的智力、知觉、个性都没有受影响。 C.记忆力出现障碍。表现为部分逆行性陈述性记忆遗忘，严重的顺行性陈述性记忆遗忘，但是非陈述性记忆（程序性记忆）不受损伤。 D.短期记忆正常。,大面积切除人类颞叶病例的行为观察结论： A.颞叶与个体的智力、知觉、个性无关。 B.颞叶与久远的长期记忆和非陈述性记忆形成无关 C.颞叶对新近陈述性记忆的形成和储存非常重要。 D.短期记忆与长期记忆，非陈述性记忆和陈述性记忆的解剖学结构、神经机制不同。,陈述性记忆的间脑定位 1.间脑中与记忆有关的结构： 丘脑前核、丘脑背内侧核、乳头体 2.人类间脑损伤病例研究： 一男性青年被花剑刺伤右侧鼻孔，并深入左脑，CT扫描发现左侧丘脑背内侧核被损坏。 康复后，认知能力和短时记忆正常，但长期记忆力遭到破坏（严重的顺行性遗忘和部分的逆行性遗忘）。 结论：间脑损伤与颞叶切除出现的遗忘症状类似，提示间脑与颞叶的陈述性记忆中枢有密切的关系，是形成陈述性记忆的重要结构。,Korsakoff综合症： 是由于慢性酒精中毒造成的硫胺素缺 乏，常见丘脑背内侧核和乳头体受损，其特 点之一是严重的记忆障碍（顺行性遗忘和部 分逆行性遗忘）。此外，还伴有异常的眼 动、协调性丧失及震颤。,不同类型的记忆有不同的神经结构和回路参与： 陈述性记忆，即与认知功能有关的记忆需要边缘系统的参与，内侧颞叶、内侧丘脑和额叶腹内侧部是认知性记忆回路中三个重要的环节。如果损伤只限于海马则导致逆行性遗忘，而非陈述性运动技巧性学习并不受影响，说明边缘系统的海马是陈述性记忆回路中的重要环节。 非陈述性记忆则需要基底核的参与。损毁猕猴基底核新纹状体的尾部可导致运动性学习（例如习惯的形成）的严重障碍，而认知性记忆则没有影响。,脑内许多结构都参与学习和记忆，其中认为起重要 作用的有海马结构、大脑皮质、基底核、小脑和杏 仁核等。 海马结构（hippocampal formation）： 包括海马、齿状回和下托复合体和内嗅皮质四 部分，均属于古、旧皮质。海马又称为安蒙角 （Ammon horn）位于侧脑室下角底及内侧壁。海 马皮质分为多形层、锥体层和分子层。根据细胞构 筑和神经纤维联系可分为C1（可能与分辨学习有 关），C2，C3（可能与长时记忆有关）或C4四个 区。主要功能与学习、记忆和情感行为等有关。,神经生理学机制 感觉性记忆和一级记忆主要是神经元生理活动的功能表现。神经元活动具有一定的后作用，在刺激过去以后，活动仍能存留一定时间，这是记忆的最简单的形式，感觉性记忆的机制可能属于这一类。 在神经系统中，神经元之间形成许多环路联系，环路的连续活动也是记忆的一种形式，一级记忆的机制可能属于这一类。例如，海马环路的活动就与一级记忆的保持以及一级记忆转入二级记忆有关。,在海兔的缩鳃反射习惯化与敏感化实验时发现，习惯化是突触效能减弱的结果。突触前膜上N型钙通道的失活致钙内流减少或突触小泡数减少，使递质释放减少，突触后电位逐渐减小，突触传递效能下降。敏感化是突触前易化，引起突触效能增强的结果。 突触可塑性改变也是学习和记忆的神经生理学基础。Bliss和Lomo(1973)将强直刺激(重复刺激)引起的突触的长时程易化（30min-3d）现象，称为突触传递效能的长时程增强（LTP,long-term potentiation ）。此后又在小脑观察到LTD现象，即长时程压抑（long-term depression），是指突触传递效能的长时程降低。,LTP和LTD被认为是中枢神经系统突触可塑性的一个模式，在学习和记忆过程中有着重要的作用。LTP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；而LTD据推测在运动学习中起着不断纠正操作错误的重要作用。,Hebb的细胞集合学说,1.记忆印迹广泛分布于细胞集合的神经突触联系中。 2.细胞集合可由那些参与感觉和感知的同一群神经元组成。 3.细胞集合中的部分神经元被损坏并不能消除记忆。,海布（Donald O. Hebb 19041985）， 加拿大心理学家， 提出细胞集合理论来解释 知觉及在大量脑组织损伤条件下 仍能保持一定智力水平的现象。,Hebb的细胞集合学说,神经生物化学机制 长时记忆需要合成新的蛋白质。其中转录因子CREB（cAMP response element-binding protein）起着关键性的作用。 cAMP可诱导产生LTP，而PKA（ cAMP-dependent protein kinase）的抑制剂可干扰LTP的保持。因此认为， cAMP信号通路在LTP的蛋白合成依赖性时相中起关键性作用。 在金鱼建立条件反射的过程中，如用嘌呤霉素注入其脑内以抑制脑内蛋白质的合成，则动物不能完成条件反射的建立，学习和记忆能力发生明显障碍。人类的二级记忆可能与这一类机制关系较大。在逆行性遗忘中，可能就是由于脑内蛋白质合成代谢受到了破坏，以致前一段时期的记忆丧失。,中枢递质与学习记忆活动有关 如中枢胆碱能系统、儿茶酚胺及神经肽与学习记忆有关。 动物学习训练后注射拟胆碱药毒扁豆碱可加强记忆活动，而注射抗胆碱药东莨菪碱或阿托品可使学习减慢； 用利血平耗竭脑内儿茶酚胺，则破坏学习记忆过程； 5-HT可以使海兔的缩腮反射敏感化，增强突触传递和新的蛋白质合成，可激活CREB；,中枢递质与学习记忆活动有关 动物在训练后将加压素注入海马齿状回可增强记忆，而注入催产素则使记忆减退； 一定量的脑啡肽可使动物学习过程遭受破坏，而阿片肽受体阻断剂纳洛酮可增强记忆；GABA局部注射大脑皮层运动区可抑制条件反射的出现； 临床研究发现老年人血液中垂体后叶素含量减少，用加压素喷鼻可使记忆效率提高，用加压素治疗遗忘症亦收到满意效果。,NMDA（N-甲基-D-天冬氨酸）,小结,记忆可分为陈述性和非陈述性两种，陈述性记忆是有意识的回忆，而非陈述性记忆则是无意识的操作。 陈述性 和非陈述性记忆是有不同的脑结构支持。 无论是陈述性记忆还是非陈述性记忆，记忆的痕迹都储存在神经通路的可塑性变化之中。 无论是低等动物还是高等动物，不同类型的记忆有着类似的突触和分子机制。 学习和记忆均发生在突触。事件的第一步表现为电活动，然后为细胞内的第二信使分子，继而为突触蛋白质的修饰。 若是轻微的刺激，仅能诱发现有的突触蛋白的修饰，产生LTP，形成短时记忆。 若是强大的刺激，可诱发基因启动，合成新的突触蛋白，产生LTP，形成长期记忆。,生物节律,机体的