Как запомняме къде сме паркирали колата си, когато паркираме на голям паркинг? Този проблем стои пред Хоумър. А ние ще се опитаме да разберем какво се случва в мозъка му.
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.
Ще тръгнем от хипокампуса, показан в жълто, който е органът на паметта. Ако е увреден, както при болестта на Алцхаймер, не можете да запомняте неща, включително къде сте паркирали колата си. Името му идва от латинската дума за "морско конче", на което той прилича. Както и останалата част от мозъка, той се състои от неврони.
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.
Човешкият мозък е изграден от около сто милиарда неврона. А те комуникират един с друг, като изпращат слаби импулси или вълни електричество чрез връзки помежду си. Хипокампусът е изграден от два слоя клетки, между които има множество връзки. Учените са започнали да разбират как работи пространствената памет, като са записали активността на отделни неврони при плъхове или мишки, докато те претърсват или изучават дадена среда, търсейки храна.
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.
Нека си представим, че записваме активността на един единствен неврон в хипокампуса на този плъх тук. Когато той изпрати импулс електричество, ще се появи червена точка и щракване. Виждаме, че този неврон реагира всеки път, когато плъхът отиде на определено място в заобикалящата го среда. И сигнализира за това на останалата част от мозъка, като изпраща малки импулси електричество. Следователно можем да изразим честотата на активиране на този неврон като функция от местоположението на животното. А ако запишем активността на множество отделни неврони, ще видим, че всеки от тях изпраща импулси, когато животното се намира на определено място в средата си, както личи от тези квадрати. Така заедно те създават карта за останалата част от мозъка, която постоянно му казва: "Къде се намирам в момента спрямо заобикалящата ме среда?"
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?"
Клетки за местоположение са открити и при хората. Понякога болните от епилепсия се нуждаят от наблюдение на електрическата активност на мозъка им. Някои от тези пациенти играли видео игра, при която шофират из малко градче. Клетките за местонахождение в хипокампуса им се активирали, започвали да изпращат електрически импулси, всеки път, когато те минавали през определено място в този град.
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.
Но как клетката за местоположение разбира къде в средата си се намира плъхът или човекът? Ами, ето тези две клетки ни показват, че границите на средата са от особено значение. Горната обича да изпраща импулси някъде по средата между стените на кутията, в която се намира плъхът. А разширим ли кутията, районът на активиране на клетката също се увеличава. Тази отдолу изпраща импулси всеки път, когато има стена наблизо от юг. И ако поставите друга преграда в кутията, тогава клетката се активира и на двете места -- винаги когато, обикаляйки из кутията, животното среща преграда от юг. От това можем да предположим, че усещането за разстоянията и посоките до преградите около нас -- редици сгради и прочие -- е от особено значение за хипокампуса. И наистина, при изследване на входящата информация към хипокампуса са открити клетки, които комуникират с него, и реагират именно при регистрирането на преграда или граница на определено разстояние и посока от плъха или мишката, докато те изучават средата си.
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.
Както виждате, клетката вляво изпраща импулс винаги, когато животното доближи стена или преграда от изток, независимо дали това е ръбът или стената на квадратна кутия или облата стена на обла кутия, или дори ръбът на края на маса, по която животните тичат. А клетката вдясно ей там реагира всеки път, когато срещне препятствие от юг, независимо дали това е ръбът на масата или стена, или дори празното пространство между две маси. Това е един от начините, по които смятаме, че клетките за местоположение определят къде се намира животното.
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.
Можем да тестваме и къде смятаме, че се намира даден обект, като това флагче например, в не сложни среди -- или направо -- къде би могла да е колата ви. Така можем да накараме някого да разучи дадена среда и да запомни определено място. Ако след това го върнем в тази среда, обикновено той сравнително лесно може да отбележи къде смята, че е било флагчето или колата. Но при някои опити можем да променим формата или размерите на средата, както направихме при клетките за местоположение.
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.
Тогава виждаме как представата им за това къде е било флагчето се променя спрямо изменението на формата и размерите на средата. Например, ако флагчето е било на мястото на този хикс в малка квадратна среда и след това попитате хората къде е било, след като обаче сте разширили средата, предполагаемото му според тях място се разширява точно по същия начин, по който се разшири и активирането на клетките за местоположение. Сякаш помним къде е било флагчето като запаметяваме модела на активиране на всички клетки за местоположение на това определено място и след това се връщаме на него, движейки се, така че настоящият модел на активиране да пасне по възможно най-добър начин със запаметения модел. Това ни напътства обратно към мястото, което сме искали да запомним.
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.
Друг начин, по който разбираме къде сме, е чрез движение. Ако например се отдалечаваме от дадена точка -- да кажем, че сме паркирали и тръгваме нанякъде -- на база на движението си по този път, което можем да обединим в едно цяло, придобиваме груба представа коя би била обратната посока. Клетките за местоположение получават информация за цялостния ни маршрут от тип клетки, наречени координатни клетки.
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.
Този тип клетки намираме отново да изпращат информация към хипокампуса и донякъде приличат на клетките за местоположение. Но в този случай, докато плъхът изучава средата си, всяка клетка подава импулси в множество различни точки, разположени из средата в удивително правилна триъгълна решетка. И ако запишем активността на няколко подобни координатни клетки -- показани тук в различни цветове -- на всяка от тях отговаря един, подобен на решетка, модел на активиране, като всяка решетка е леко изместена спрямо останалите. Следователно червената изпраща импулси съгласно тази решетка, зелената -- спрямо тази, а синята -- спрямо тази.
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.
Като цяло изглежда, че плъхът може да разположи в средата си виртуална решетка от активни точки -- нещо като паралелите и меридианите на географската карта -- но използвайки триъгълници. И докато се движи наоколо, електрическата активност може да преминава от една клетка към друга за да проследява местонахождението му, така че животното да използва собствените си движения, за да разбере къде се намира.
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.
Дали хората имат координатни клетки? Тъй като всички решетъчни модели на активност имат едни и същи оси на симетрия, еднаква ориентация на решетката, показана в оранжево тук, това означава, че мрежовата дейност на всички координатни клетки в определена част на мозъка би трябвало да се измени в зависимост от това дали тичаме в тези шест посоки или в някоя от шестте посоки посредата. Можем да поставим някого в ЯМР скенер и да го накараме да изиграе кратка видео игра като онази, която ви показах, за да потърсим подобен сигнал. И наистина, ще го открием в човешкия енторинален кортекс -- същата част на мозъка, където намираме координатните клетки при плъховете.
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.
Сега нека се върнем при Хоумър. Той може би си спомня къде е била колата му по отношение на разстоянието и посоката към редиците сгради и преградите около мястото, където е паркирал. И това ще е представено от активирането на клетки, засичащи прегради. Той помни също така маршрута си на излизане от паркинга, който ще е представен от активирането на координатни клетки. Всеки от тези два типа клетки може да активира клетките за местоположение. Така той може да се върне до мястото, където е паркирал, като се движи, така че да намери къде настоящият модел на активиране на клетките за местоположение най-пълно пасва на запаметения модел на мястото на паркиране. Това го насочва обратно към мястото независимо от зрителни знаци, като това дали колата му наистина е там. Може да е била вдигната от паяк. Но той знае къде е била и може да стигне до нея.
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.
Така, ако потърсим този решетъчен модел на активиране в целия мозък, ще го срещнем на множество места, които са активни винаги, когато мозъкът ни извършва задачи, свързани с паметта, например кога за последен път сме били на сватба. Следователно е възможно невронните механизми, отговорни за пространствената ни ориентация, да се използват също така за създаване на визуални образи, така че, когато поискаме да си спомним нещо, да можем да пресъздадем поне пространствена картина на събитията.
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.
Ако това е така, спомените ни се събуждат като клетките за местонахождение се активират взаимно чрез тези тесни взаимовръзки и след това на свой ред активират клетките, регистриращи препятствия, за да създадат пространствената структура на сцената около нас. А координатните клетки придвижват гледната ни точка в пространството. Съществува и друг тип клетки, които не споменах -- тези, регистриращи посоката напред -- те подават импулси като компас в зависимост от това накъде сме обърнати. Те могат да определят посоката, от която искаме да създадем визуален образ, така че да можем да си представим какво е станало на онази сватба, например.
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.
Това е само един пример от всъщност нова епоха в когнитивната невронаука, в която започваме да разбираме психологичните процеси, като това как човек помни или си представя или дори -- мисли от гледна точка на дейността на милиардите индивидуални неврони, които изграждат нашите мозъци.
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.
Много ви благодаря.
Thank you very much.
(Аплодисменти)
(Applause)