Wenn wir auf einen großen Parkplatz parken, wie erinnern wir uns, wo wir unser Auto geparkt haben? Hier wird Homer mit diesem Problem konfrontiert. Und wir werden versuchen zu verstehen, was in seinem Gehirn vorgeht.
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.
Wir beginnen mit dem Hippocampus, hier in gelb dargestellt, er ist das Gedächtnisorgan. Falls er beschädigt ist, was bei Alzheimer der Fall ist, können Sie sich nicht länger erinnern, z.B. daran, wo Ihr Auto steht. Es ist nach dem lateinischen Wort für "Seepferdchen", dem es ähnelt, benannt. Und wie der Rest des Gehirns besteht er aus Nervenzellen.
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.
Das menschliche Gehirn enthält ungefähr hundert Milliarden Nervenzellen. Und die Nervenzellen kommunizieren miteinander, indem sie einander kleine elektrische Impulse über ihre Verbindungsstellen senden. Der Hippocampus besteht aus zwei Zellblättern, welche sehr dicht miteinander verbunden sind. Und Wissenschaftler haben angefangen zu verstehen, wie das räumliche Gedächtnis funktioniert, indem sie die Daten von einzelnen Nervenzellen von Ratten oder Mäusen, während sie eine Umgebung erforschen oder nach Nahrung stöbern, aufzeichneten.
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.
Wir werden uns vorstellen, dass wir die Daten einer einzelnen Nervenzelle im Hippocampus dieser Ratte hier aufzeichnen. Und wenn sie einen kleinen elektrischen Impuls abfeuert, wird es einen roten Punkt und einen Klick geben. Wir sehen also, dass diese Nervenzelle weiß, wann sich die Ratte an einen bestimmten Ort in ihrer Umgebung begeben hat. Und sie meldet es dem restlichen Gehirn, indem sie einen kleinen elektrischen Impuls sendet. Wir konnten also nachweisen, dass die Feuerrate dieser Nervenzelle dem Tier zum Orten dient. Zeichnen wir Daten von vielen verschiedenen Nervenzellen auf, sehen wir, dass unterschiedliche Zellen feuern, wenn sich das Tier in andere Teile seiner Umgebung begibt, wie man in dieser quadratischen Schachtel sieht. Zusammen bilden sie also eine Karte für das restliche Gehirn, welche dem Gehirn fortwährend ankündigt, "Wo befinde ich mich nun in meiner Umgebung?"
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?"
Man zeichnet ebenfalls die Daten von menschlichen Platzzellen auf. Epileptiker brauchen manchmal die elektrische Aktivität bei ihrer Gehirnüberwachung. Und einige dieser Patienten spielten ein Videospiel, in dem sie in einer kleinen Stadt herumfahren. Und Platzzellen in ihren Hippocampi feuerten, wurden aktiv und begannen elektrische Impulse zu senden, immer wenn sie an einer bestimmten Stelle im Städtchen vorbeifuhren.
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.
Wie kann eine Platzzelle wissen, wo innerhalb ihrer Umgebung sich die Ratte oder die Person befindet? Nun, diese zwei Zellen hier zeigen uns, dass die Grenzen der Umgebung besonders wichtig sind. Die obere feuert gern genau zwischen den Wänden der Schachtel, in der sich die Ratte befindet. Und wenn man die Schachtel vergrößert, vergrößert sich der Schussradius. Die untere feuert gerne jedes Mal, wenn sich eine Wand nahe im Süden befindet. Und falls Sie eine andere Wand in die Schachtel stellen, feuert die Zelle an beiden Stellen, immer wenn sich im Süden eine Wand befindet, während das Tier die Schachtel erforscht. Dies legt nahe, dass es ziemlich wichtig ist für den Hippocampus, die Abstände und Richtungen der Grenzen rundherum, verbreitete Gebäude und so weiter, abzutasten. An den Eingängen des Hippocampus findet man tatsächlich Zellen, die in den Hippocampus hineinprojizieren, die genau reagieren beim Wahrnehmen von Grenzen oder Kanten in einem bestimmten Abstand und Richtung zur Ratte oder zur Maus, wenn sie die Umgebung erforscht.
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.
Deshalb können Sie bei der Zelle links sehen, dass sie jedes Mal feuert, wenn sich das Tier einer Wand oder einer Abgrenzung Richtung Osten nähert, sei es die Ecke oder die Wand einer quadratischen Schachtel, sei es eine kreisförmige Wand einer runden Schachtel, oder sogar der Rand einer Tischkante, auf dem die Tiere herumlaufen. Und die Zelle hier rechts feuert jedes Mal, wenn eine Abgrenzung Richtung Süden kommt, sei es der Rand einer Tischkante oder eine Wand, oder sogar der Abstand zwischen zwei Tischen, die auseinandergezogen wurden. Das ist also eine Theorie, wie Platzzellen die Position des Tieres feststellen, während es erforscht.
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.
Wir können auch überprüfen, wo wir ein Objekt in einfachen Umgebungen vermuten, etwa diese Zielfahne – oder natürlich die Position Ihres Autos. Daher können wir Leute eine Umgebung erforschen und den Ort sehen lassen, an den sie sich erinnern müssen. Und dann, wenn wir sie wieder in die Umgebung bringen, sind sie generell ziemlich gut, wenn es darum geht festzustellen, die Position der Flagge oder des Autos zu orten. Aber in einigen Versuchen könnten wir die Form und Größe der Umgebung verändern, so wie wir es mit der Platzzelle gemacht haben.
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.
In diesem Fall können wir sehen, wie sich die vermutete Position der Fahne in Abhängigkeit einer veränderten Form und Größe der Umgebung verändert. Hier sehen Sie zum Beispiel, wenn sich die Flagge an der Position des Kreuzes in einer kleinen Umgebung befand, und dann fragen Sie Leute nach ihrer Position, haben aber die Umgebung vergrößert, dann dehnt sich ihre Vermutung über die Position der Flagge im selben Maße aus wie sich die feuernde Platzzelle ausgedehnt hat. Es ist, als ob Sie sich an die ursprüngliche Position der Fahne erinnern, indem Sie das Feuermuster von allen Platzzellen an diesem Ort gespeichert haben, und dann können Sie an den Ort zurückkehren, indem Sie sich so lange umherbewegen, bis das aktuelle Feuermuster Ihrer Platzzellen dem gespeicherten so gut wie möglich entspricht. Dies leitet Sie zurück an die Stelle, an die Sie sich erinnern wollen.
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.
Aber wir können auch anhand unserer Bewegung unsere Position bestimmen. Wenn wir also den Ort verlassen – vielleicht stellen wir das Auto ab und laufen ein Stück – dann wissen wir dank unseren eigenen Bewegungen, mit denen wir diesen Pfad gliedern können, ungefähr, welche Richtung wir für den Rückweg nehmen müssen. Und die Platzzellen erhalten diese Art Weggliederung auch von einer Art von Zelle, die man Gitterzelle nennt.
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.
Nun, Gitterzellen findet man an den Eingängen des Hippocampus, und sie ähneln den Platzzellen ein wenig. Aber wenn nun die Ratte herumforscht, feuert jede individuelle Zelle in einem ganzen Bereich verschiedener Stellen, die sich in der Umgebung befinden, in einen verblüffend regelmäßigen, dreieckigen Gitter. Und falls Sie die Daten von mehreren Gitterzellen, hier in verschiedenen Farben dargestellt, aufzeichnen, hat jede ein gitterartiges Feuermuster für die ganze Umgebung, und das Muster jeder Zelle weist minimale Änderungen zu denen der anderen Zellen auf. So feuern die roten in diesem Gitter und die grünen in diesen und die blauen in diesem.
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.
Zusammen ist es so, als ob eine Ratte ein virtuelles Gitter von Feuerpunkten in ihrer Umgebung aufstellen kann, so wie die Breiten- und Längengrade, die man auf einer Karte finden kann, aber eben mit Dreiecken. Und wenn die Ratte sich umherbewegt, kann die elektrische Tätigkeit von einer dieser Zellen zur nächsten Zelle gelangen und den Überblick über den Aufenthaltsort behalten, so dass sie ihre eigene Bewegungen benutzen kann, um sich in ihrer Umgebung zu verorten.
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.
Besitzen Menschen Gitterzellen? Nun, da alle diese gitterartigen Feuermuster die gleichen Symmetrieachsen, die gleiche Gitterorientierung, hier in orange dargestellt, haben, bedeutet dies, dass die reine Aktivität all dieser Gitterzellen sich in einer bestimmten Stelle des Gehirns ändern sollte, je nachdem, ob wir eine dieser sechs Richtungen nehmen, oder eine der sechs Richtungen dazwischen. Folglich können wir von Menschen ein MRT machen, während sie ein kleines Videospiel spielen, wie das, das ich Ihnen gezeigt habe, und warten auf das Signal. Und tatsächlich, man sieht es in ihrer entorhinalen Hirnrinde, die dem Teil des Gehirns entspricht, wo sich bei den Ratten die Gitterzellen befinden.
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.
Nun zurück zu Homer. Er ist vermutlich dabei, sich zu erinnern, wo sein Auto steht, in Bezug auf die Abstände und Richtungen zu Gebäuden und Grenzen, die sich rund um die Stelle, wo er geparkt hat, befinden. Und dies würde dargestellt werden durch das Feuern der Grenzortungszellen. Er erinnert sich auch an den Weg, auf dem er den Parkplatz verließ, was man durch das Feuern der Gitterzellen darstellen würde. Nun, diese beide Arten von Zellen können die Platzzellen zum Feuern bringen. Und er kann zur Stelle zurückkehren, wo er geparkt hat, indem er sich so bewegt, dass das aktuelle Feuermuster der Platzzellen in seinem Gehirn mit dem gespeicherten Muster, das beim Parken des Autos entstand, übereinstimmt. Und dies führt ihn zurück zu dieser Stelle, ungeachtet von visuellen Hinweisen, wie ob das Auto wirklich dort ist. Vielleicht wurde es abgeschleppt. Aber er weiß, wo es war, und so weiß er, wie er es wiedererlangen kann.
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.
Jenseits des räumlichen Gedächtnisses also können wir nach gitterartigen Feuermustern im ganzen Gehirn suchen. Wir können sie in einer Reihe von Orten sehen, die beim Verrichten autobiografischer Gedächtnisaufgaben aller Art ständig aktiv sind, wie etwa sich daran zu erinnern, wann man zuletzt auf einer Hochzeit war. Also könnte es sein, dass die Neuromechanismen, die den uns umgebenden Raum darstellen, ebenfalls zum Erzeugen einer Visualisierung verwendet werden, damit wir zumindest die räumliche Komponente unserer Erlebnisse wiederherstellen können, wenn wir uns sie vorstellen.
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.
Wenn das geschähe, könnten sich Platzzellen gegenseitig aktivieren durch diese dichten Vernetzungen, und dann würden sie die Grenzzellen reaktivieren, um die Flächenstrukturen des Erlebnisses rund um Ihren Standpunkt zu formen. Und die Gitterzellen könnten den Standpunkt durch den Raum bewegen. Eine andere Art von Zelle, die Kopfbewegungszelle, die ich noch nicht erwähnt hatte, feuert wie ein Kompass, je nachdem, in welche Richtung man schaut. Die Zellen könnten die Blickrichtung bestimmen, von der aus Sie ein Bild zur Visualisierung erzeugen wollen, so dass Sie sich z. B. vorstellen können, was damals auf der Hochzeit passierte.
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.
Das ist aber nur ein Beispiel von einer neuen Ära in der kognitiven Neurowissenschaft, wo wir langsam anfangen, die psychologischen Vorgänge zu verstehen: wie man sich erinnert, sich etwas vorstellt, oder einfach denkt, und welche Funktionen dabei die Milliarden einzelner Nervenzellen, aus denen unser Gehirn besteht, erfüllen.
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.
Vielen Dank.
Thank you very much.
(Applaus)
(Applause)