حين نركن في موقف سيارات كبير، كيف نتذكر أين ركننا سيارتنا؟ هذه المشكلة التي تواجه هومر. وسوف نحاول فهم ما الذي يحدث في دماغه.
When we park in a big parking lot, how do we remember where we parked our car? Here's the problem facing Homer. And we're going to try to understand what's happening in his brain.
حسنا سنبدأ بالحُصين، الملون بالأصفر، والذي هو العضو المسؤول عن الذاكرة. إن كان لديكم ضرر هنا، مثلما في الزهايمر، لا يمكنكم تذكر أشياء بما في ذلك أين ركنتم سيارتكم. وهو مسمى بذلك نسبة إلى المصطلح اللاتيني ل"فرس البحر" والذي يشبهه. ومثل بقية الدماغ، فإنه مكون من خلايا عصبية.
So we'll start with the hippocampus, shown in yellow, which is the organ of memory. If you have damage there, like in Alzheimer's, you can't remember things including where you parked your car. It's named after Latin for "seahorse," which it resembles. And like the rest of the brain, it's made of neurons.
وبالتالي الدماغ البشري لديه حوالي 100 مليار خلية عصبية. والخلايا العصبية تتواصل مع بعضها البعض من خلال إرسال نبضات صغيرة أو تموجات كهربائية من خلال الروابط لبعضها البعض. الحُصين مكون من صفيحتين من الخلايا، والتي هي مترابطة بكثافة. والعلماء بدؤوا يفهمون كيف تشتغل الذاكرة الفضائية من خلال تسجيل خلايا عصبية مفردة في الجرذان أو الفئران وهي تجمع المؤونة أو تستكشف المحيط بحثا عن الطعام.
So the human brain has about a hundred billion neurons in it. And the neurons communicate with each other by sending little pulses or spikes of electricity via connections to each other. The hippocampus is formed of two sheets of cells, which are very densely interconnected. And scientists have begun to understand how spatial memory works by recording from individual neurons in rats or mice while they forage or explore an environment looking for food.
حسنا سنقوم بتخيل أننا نسجل من خلية عصبية واحدة في حُصين هذا الجرذ هنا. وحين تطلق تموجا من الكهرباء، ستظهر نقطة حمراء وطقطقة. وبالتالي ما نراه هو أن تلك الخلية العصبية تعرف كلما ذهب الجرذ إلى مكان معين من الفضاء. وترسل إشارة إلى باقي الدماغ من خلال إرسال تموج كهربائي صغير. وبالتالي أمكننا عرض إطلاق الجرذ للخلية العصبية كدالة لمكان الحيوان. وإن سجلنا الكثير من الخلايا العصبية المختلفة، سوف نرى أن خلايا عصبية مختلفة تطلق (موجات) حين يذهب الحيوان إلى أماكن من مختلفة من فضائه، مثلا في هذا الصندوق المربع الذي يظهر هنا. وبالتالي (الخلايا) مجتمعة تشكل خريطة لبقية الدماغ، تخبر الدماغ باستمرار، "أين أوجد الآن ضمن محيطي؟"
So we're going to imagine we're recording from a single neuron in the hippocampus of this rat here. And when it fires a little spike of electricity, there's going to be a red dot and a click. So what we see is that this neuron knows whenever the rat has gone into one particular place in its environment. And it signals to the rest of the brain by sending a little electrical spike. So we could show the firing rate of that neuron as a function of the animal's location. And if we record from lots of different neurons, we'll see that different neurons fire when the animal goes in different parts of its environment, like in this square box shown here. So together they form a map for the rest of the brain, telling the brain continually, "Where am I now within my environment?"
خلايا الأماكن تُسجل حاليا كذلك عند البشر. وهكذا يحتاج مرضى الصرع أحيانا إلى أنشطة كهربائية في مراقبة أدمغتهم. وبعض هؤلاء المرضى لعبوا لعبة فيديو حيث يقودون في أرجاء مدينة صغيرة. وخلايا الأمكنة في حصينهم تطلق (نبضات)، وتصبح نشطة، تبدأ في إرسال نبضات كهربائية كلما كانوا يقودون خلال مكان معين في تلك المدينة.
Place cells are also being recorded in humans. So epilepsy patients sometimes need the electrical activity in their brain monitoring. And some of these patients played a video game where they drive around a small town. And place cells in their hippocampi would fire, become active, start sending electrical impulses whenever they drove through a particular location in that town.
وبالتالي كيف تعرف خلية مكانية أين يوجد الجرذ أو المرء في محيطه؟ حسنا، هاتين الخليتان هنا تظهران لنا أن حدود المحيط مهمة بشكل خاص. وبالتالي تلك في الأعلى يروق لها أن تطلق نوعا من الطريق الوسط بين الجدران من الصندوق الذي يوجد فيه الجرذ. وحين توسع الصندوق، تتسع أماكن الإطلاق (الكهربائي) الذي في الأسفل يروق له الإطلاق كلما وجد جدار قريب من جهة الجنوب. وحين تضع جدارا آخر داخل الصندوق، ثم تطلق الخلية في كلا المكانين كلما وجد جدار في الجنوب بالتزامن مع استكشاف الحيوان للصندوق. وبالتالي هذا يتوقع أن تحسس مسافات واتجاهات الحدود حولنا -- المباني الممتدة وما إلى ذلك -- مهم بالخصوص بالنسبة للحصين. وفي الواقع، في مدخلات الحصين، تم إيجاد خلايا تقوم بالإسقاط على الحصين، والذي يتجاوب تماما مع الكشف عن الحدود والحواف على مسافات واتجاهات معينة من الجرذ أو الفأر وهو يكتشف ما حوله.
So how does a place cell know where the rat or person is within its environment? Well these two cells here show us that the boundaries of the environment are particularly important. So the one on the top likes to fire sort of midway between the walls of the box that their rat's in. And when you expand the box, the firing location expands. The one below likes to fire whenever there's a wall close by to the south. And if you put another wall inside the box, then the cell fires in both place wherever there's a wall to the south as the animal explores around in its box. So this predicts that sensing the distances and directions of boundaries around you -- extended buildings and so on -- is particularly important for the hippocampus. And indeed, on the inputs to the hippocampus, cells are found which project into the hippocampus, which do respond exactly to detecting boundaries or edges at particular distances and directions from the rat or mouse as it's exploring around.
وبالتالي فالخلية على اليسار، يمكن أن تروا، تطلق كلما اقترب الحيوان من جدار أو حاجز في اتجاه الشرق سواء كان حافة أو جدار لصندوق مربع أو جدارا دائريا للصندوق الدائري أو حتى المنخفض على حافة الطاولة، التي تجري حولها الحيوانات. والخلية على اليمين هناك تطلق كلما وجد حد في الجنوب، سواء كان المنخفض على حافة الطاولة أو جدارا أو حتى الفجوة بين الطاولتين المفروقتين عن بعضهما. وبالتالي تلك هي الطريقة التي نعتقد أن الخلايا المكانية تستخدمها لتحديد أين يوجد الحيوان وهو يستكشف ما حوله.
So the cell on the left, you can see, it fires whenever the animal gets near to a wall or a boundary to the east, whether it's the edge or the wall of a square box or the circular wall of the circular box or even the drop at the edge of a table, which the animals are running around. And the cell on the right there fires whenever there's a boundary to the south, whether it's the drop at the edge of the table or a wall or even the gap between two tables that are pulled apart. So that's one way in which we think place cells determine where the animal is as it's exploring around.
يمكننا كذلك أن نفحص أين نعتقد أن الأشياء توجد، مثل راية الهدف، في أوساط بسيطة -- أو في الواقع، أين قد توجد سيارتك. بحيث يمكننا أن نجعل الناس يستكشفون وسطا ونرى المكان الذي عليهم تذكره. ومن ثم، إن وضعناهم مجددا في الوسط، هم على العموم يجيدون وضع العلامة حيث اعتقدوا أن الراية أو سيارتهم كانت. لكن في بعض التجارب، يمكن أن نغير شكل وحجم الوسط كما فعلنا مع الخلية المكانية.
We can also test where we think objects are, like this goal flag, in simple environments -- or indeed, where your car would be. So we can have people explore an environment and see the location they have to remember. And then, if we put them back in the environment, generally they're quite good at putting a marker down where they thought that flag or their car was. But on some trials, we could change the shape and size of the environment like we did with the place cell.
في تلك الحالة، يمكننا أن نرى كيف تغير المكان الذي يعتقدون أن الراية وجدت فيه كدالة لكيفية تغيير شكل وحجم الوسط. وما ترونه، على سبيل المثال، إذا كانت الراية حيث كانت العلامة في وسط مربع صغير، وثم حين تسأل الناس أين كانت، لكنك جعلت الوسط أكبر، حيث يعتقدون أن الراية كانت يتسع تماما بنفس الطريقة التي يتسع بها إطلاق الخلية المكانية. إنه كما لو أنك تتذكر أين كانت الراية من خلال حفظ نمط الإطلاق على امتداد خلاياك المكانية في ذلك المكان، وثم يمكنك العودة إلى ذلك المكان من خلال التحرك حول المكان بحيث تنطبق أكثر مع النمط الحالي لإطلاق خلاياك المكانية مع ذلك النمط المحفوظ. وذلك يقودك رجوعا إلى المكان الذي تريد تذكره.
In that case, we can see how where they think the flag had been changes as a function of how you change the shape and size of the environment. And what you see, for example, if the flag was where that cross was in a small square environment, and then if you ask people where it was, but you've made the environment bigger, where they think the flag had been stretches out in exactly the same way that the place cell firing stretched out. It's as if you remember where the flag was by storing the pattern of firing across all of your place cells at that location, and then you can get back to that location by moving around so that you best match the current pattern of firing of your place cells with that stored pattern. That guides you back to the location that you want to remember.
لكننا كذلك نعلم أين نحن على امتداد الحركة. وبالتالي إن سلكنا مسارا خارجيا -- ربما نركن السيارة ونتجول -- نعرف لأن حركاتنا، والتي يمكن أن ندمجها على امتداد المسار تقريبا ما هو اتجاه طريق العودة. والخلايا المكانية تحصل كذلك على هذا النوع من المدخلات من نوع من الخلايا تدعى خلايا شبكية.
But we also know where we are through movement. So if we take some outbound path -- perhaps we park and we wander off -- we know because our own movements, which we can integrate over this path roughly what the heading direction is to go back. And place cells also get this kind of path integration input from a kind of cell called a grid cell.
الآن الخلايا الشبكية يمكن إيجادها، مجددا، في مدخلات الحصين، وهي نوعا ما مثل الخلايا المكانية. لكن الآن والجرذ يستكشف ما حوله، كل خلية مكانية مفردة تطلق في نسق كامل من الأماكن المختلفة الموضوعة على امتداد الوسط في شبكة مثلثية منتظمة بشكل مدهش. وإن سجلت من عدة خلايا شبكية -- معروضة هنا بألوان مختلفة -- كل واحدة لديها نمط إطلاق شبه شبكي على امتداد الوسط، وكل نمط إطلاق شبه شبكي للخلية يحول قليلا بالنسبة للخلايا الأخرى. وبالتالي الحمراء تطلق على هذه الشبكة والخضراء على هذه والزرقاء على هذه.
Now grid cells are found, again, on the inputs to the hippocampus, and they're a bit like place cells. But now as the rat explores around, each individual cell fires in a whole array of different locations which are laid out across the environment in an amazingly regular triangular grid. And if you record from several grid cells -- shown here in different colors -- each one has a grid-like firing pattern across the environment, and each cell's grid-like firing pattern is shifted slightly relative to the other cells. So the red one fires on this grid and the green one on this one and the blue on on this one.
وبالتالي مجتمعة، وكأن الجرذ يمكنه وضع شبكة من أماكن إطلاق على امتداد وسطه -- نوعا ما مثل خطوط الطول والعرض التي قد تجدها في خريطة، لكن باستخدام مثلثات. وكما تتحرك حول المكان، يمكن للأنشطة الكهربائية المرور من إحدى هاته الخلايا للخلية للموالية لتتبع أين توجد، بحيث يمكنها استخدام حركاتها الخاصة لمعرفة أين توجد في وسطها.
So together, it's as if the rat can put a virtual grid of firing locations across its environment -- a bit like the latitude and longitude lines that you'd find on a map, but using triangles. And as it moves around, the electrical activity can pass from one of these cells to the next cell to keep track of where it is, so that it can use its own movements to know where it is in its environment.
هل يتوفر الناس على خلايا شبكية؟ حسنا بسبب أن كل أنماط الإطلاق الشبه شبكية لديها نفس محاور التماثل، نفس توجه الشبكة، معروض باللون البرتقالي هنا، يعني ذلك أن النشاط الصافي لكل الخلايا الشبكية في جزء معين من الدماغ يجب أن يتغير حسب ما إذا كنا نجري على طول هذه الاتجاهات الستة أو نجري على طول واحدة من الاتجاهات الستة بينها. بحيث يمكننا أن نضع الناس في جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي ونجعلهم يقومون بلعبة فيديو بسيطة مثل التي أريتكم إياها ونبحث عن الإشارة. وبالفعل، فإنك تراها في القشرة الشمسية للإنسان، والذي هي نفس الجزء من الدماغ حيث ترى الخلايا الشبكية في الجرذان.
Do people have grid cells? Well because all of the grid-like firing patterns have the same axes of symmetry, the same orientations of grid, shown in orange here, it means that the net activity of all of the grid cells in a particular part of the brain should change according to whether we're running along these six directions or running along one of the six directions in between. So we can put people in an MRI scanner and have them do a little video game like the one I showed you and look for this signal. And indeed, you do see it in the human entorhinal cortex, which is the same part of the brain that you see grid cells in rats.
إذن لنعد إلى هومر. هو على الأرجح يتذكر أين كانت سيارته من حيث المسافات والاتجاهات للبنايات الممتدة والحدود حول المكان الذي ركن فيه سيارته. وهذا يمكن أن يتمثل من خلال إطلاق خلايا استشعار الحدود. هو كذلك يتذكر المسار الذي سلكه خروجا من موقف السيارات، والذي قد يتمثل في إطلاق الخلايا الشبكية. الآن كلا نوعي الخلايا يمكنه جعل الخلايا المكانية تطلق. ويمكنه العودة إلى المكان الذي ركن فيه بالتحرك بحيث يجد أين يطابق أكثر نمط الإطلاق للخلايا المكانية في دماغه حاليا مع النمط المحفوظ حيث ركن سيارته. وهذا يقوده رجوعا إلى ذلك المكان بغض النظر عن الإشارات البصرية مثل ما إذا كانت سيارته توجد بالفعل هناك. ربما قد تم قطرها. لكنه يعرف أين كانت، وبالتالي يعرف أن يذهب ويأخذها.
So back to Homer. He's probably remembering where his car was in terms of the distances and directions to extended buildings and boundaries around the location where he parked. And that would be represented by the firing of boundary-detecting cells. He's also remembering the path he took out of the car park, which would be represented in the firing of grid cells. Now both of these kinds of cells can make the place cells fire. And he can return to the location where he parked by moving so as to find where it is that best matches the firing pattern of the place cells in his brain currently with the stored pattern where he parked his car. And that guides him back to that location irrespective of visual cues like whether his car's actually there. Maybe it's been towed. But he knows where it was, so he knows to go and get it.
وبالتالي ما وراء الذاكرة الفضائية، إن بحثنا عن نمط الإطلاق هذا الشبه شبكي في جميع أرجاء الدماغ، نراه في سلسلة كاملة من الأماكن والتي هي دائما نشطة حين نقوم بكل أنواع مهام السيرة الذاتية في الذاكرة، مثل تذكر آخر مرة ذهبت إلى عرس، على سبيل المثال، وبالتالي ربما الآليات العصبية لعرض الفضاء من حولنا تستخدم كذلك في توليد صور مرئية بحيث يمكننا إعادة إنشاء المشهد المكاني، على الأقل، للأحداث التي وقعت لنا حين نريد تخيلها.
So beyond spatial memory, if we look for this grid-like firing pattern throughout the whole brain, we see it in a whole series of locations which are always active when we do all kinds of autobiographical memory tasks, like remembering the last time you went to a wedding, for example. So it may be that the neural mechanisms for representing the space around us are also used for generating visual imagery so that we can recreate the spatial scene, at least, of the events that have happened to us when we want to imagine them.
وبالتالي إن كان هذا يحدث، ذكرياتكم قد تبدأ من خلال تفعيل الخلايا المكانية لبعضها البعض من خلال هذه الروابط الكثيفة ثم إعادة تفعيل الخلايا الحدودية لإنشاء البنية الفضائية للمشهد حول مرآك. والخلايا الشبكية تستطيع تحريك هذا المرآى على امتداد ذلك الفضاء. نوع آخر من الخلايا، خلايا الاتجاه، والتي لم أذكرها بعد، تطلق مثل بوصلة حسب الطريق الذي تواجهه. تستطيع تعريف اتجاه النظر الذي تريد من خلاله توليد صورة للصور المرئية، بحيث يمكنك تخيل ما حدث حين كنت في هذا العرس، على سبيل المثال،
So if this was happening, your memories could start by place cells activating each other via these dense interconnections and then reactivating boundary cells to create the spatial structure of the scene around your viewpoint. And grid cells could move this viewpoint through that space. Another kind of cell, head direction cells, which I didn't mention yet, they fire like a compass according to which way you're facing. They could define the viewing direction from which you want to generate an image for your visual imagery, so you can imagine what happened when you were at this wedding, for example.
وبالتالي هذا مثال واحد فقط لعصر جديد بالفعل في علم الأعصاب الإدراكي حيث نبدأ في استيعاب العمليات النفسية مثل كيف تتذكر أو تتخيل أو حتى تفكر من حيث أفعال ملايير الخلايا العصبية المفردة التي تشكل أدمغتنا.
So this is just one example of a new era really in cognitive neuroscience where we're beginning to understand psychological processes like how you remember or imagine or even think in terms of the actions of the billions of individual neurons that make up our brains.
شكرا جزيلا لكم.
Thank you very much.
(تصفيق)
(Applause)