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.
Al aparcar en un estacionamiento grande, ¿Cómo hacemos para recordar dónde estacionamos? Éste es el problema que enfrenta Homero. Y trataremos de comprender qué sucede en su cerebro.
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.
Comenzaremos con el hipocampo, en amarillo, que es el órgano de la memoria. Si se daña, como sucede en la enfermedad de Alzheimer, no se pueden recordar cosas como dónde estacionamos el auto. Es el nombre en latín de “caballo de mar”, debido a su semejanza. Y como el resto del cerebro, está compuesto de neuronas.
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.
Así el cerebro humano posee un centenar de millones de neuronas. Éstas se comunican entre sí enviando pequeños impulsos o picos eléctricos mediante sus conexiones. El hipocampo está formado por dos láminas de células densamente conectadas. Los científicos comenzaron a comprender cómo funciona la memoria espacial rastreando las neuronas individuales en ratas o ratones mientras ellos exploran el ambiente en busca de alimento.
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?"
Imaginemos que registramos una neurona del hipocampo de esta rata de aquí. Y al disparar un impulso eléctrico, es decir, el potencial de acción, aparecerá un punto rojo y un clic. Así, lo que vemos es que esta neurona sabe cuándo la rata ha entrado a un lugar particular de su ambiente y envía señales al resto del cerebro mediante pequeños destellos eléctricos. Así, podemos mostrar el índice de disparo de esa neurona, como una función de la ubicación del animal. Y si hacemos un registro de un montón de neuronas diferentes, veremos que las neuronas disparan cuando el animal recorre diferentes entornos, como lo muestra este recuadro. Juntas forman un mapa para el resto del cerebro, diciéndole constantemente: “¿Dónde me encuentro en mi ambiente?”
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.
Las células de lugar se registran también en los humanos. Los epilépticos, algunas veces, necesitan el monitoreo de la actividad eléctrica de sus cerebros. Y algunos de estos pacientes jugaron un video juego donde conducían alrededor de un pequeño pueblo. Las células de lugar en el hipocampo dispararían, se activarían, y comienzan a enviar impulsos eléctricos cada vez que recorren los espacios de esa ciudad.
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.
¿Cómo sabe una célula de lugar dónde se encuentra la rata dentro de su ambiente? Pues bien, estas dos células muestran que los límites del ambiente son especialmente importantes. Así, la de la parte superior interviene disparando desde la mitad entre las paredes de la caja donde está su rata. Y cuando se expande la caja, el potencial de acción se expande. La neurona de abajo interviene disparando cada vez que hay una pared cerca hacia el Sur. Y si agregan otra pared, la célula dispara en ambos lados cada vez que hay una pared al Sur mientras el animal explora la caja. Así, esto predice la percepción de las distancias y direcciones de los límites que nos rodean, los espacios ampliados, etc., son particularmente importantes para el hipocampo. Y efectivamente, en las entradas del hipocampo, hay células que se proyectan en el hipocampo, las que responden precisamente a detectar límites o bordes a distancias determinadas y direcciones desde donde la rata o ratón se encuentra explorando.
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.
Así pueden ver que, la célula de la izquierda dispara cada vez que el animal se acerca a la pared o a un límite por el Este, así sea el borde o la pared de un espacio cuadrado o la pared de un espacio circular, o incluso el borde de una mesa cuando el animal la recorre. Y la célula de la derecha, dispara cada vez que hay un borde al Sur, así se trate del borde de una mesa o una pared, o incluso, el espacio entre dos mesas separadas. Ésta es una de las maneras que pensamos cómo las células de lugar determinan dónde el animal se encuentra cuando explora.
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.
Incluso podemos probar dónde pensamos que se encuentran los objetos, como esta bandera en situaciones simples, o incluso, dónde estaría su auto. Así puede haber gente que explore el ambiente y que observe la ubicación que tienen que recordar. Si los llevamos nuevamente al ambiente, generalmente suelen marcar correctamente dónde creen que estaba la bandera o el auto. Pero en algunos intentos, podríamos cambiar la forma y el tamaño del ambiente, como lo hicimos con la célula de lugar.
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.
En ese caso, podemos ver cómo creen que la bandera había cambiado, en función de cómo se modifica la forma y el tamaño del entorno. Y lo que observan, por ejemplo, es si la bandera estaba en la cruz del espacio pequeño cuadrangular. Si luego preguntan a la gente dónde estaba, pero agrandaron el espacio dónde ellos creen que la bandera estaba desplegada de la misma manera que el disparo de la célula de lugar desplegó. Es como si se recordara dónde estaba la bandera almacenando el patrón de disparo a través de todas las células de lugar en ese sitio, y entonces pueden volver allí desplazándose para corresponder el patrón actual de disparo de sus células de lugar con el patrón almacenado. Eso los guía hacia la ubicación que quieren recordar.
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.
Pero también sabemos dónde estamos a través del movimiento. Cuando aparcamos y nos alejamos y tomamos algún camino de salida, sabemos dónde estamos por nuestros movimientos, que integramos a ese camino dirigiéndonos hacia ese punto de salida. Y las células de lugar también logran integrar ese camino de salida a través de un tipo de célula llamada celda de la cuadrícula.
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.
Las celdas de la cuadricula, de nuevo, se encuentran en las entradas al hipocampo y son similares a las células de lugar. Mientras la rata explora alrededor, cada célula se dispara en una variedad de direcciones desplegadas en el ambiente asombrosamente en forma de cuadrícula, pero triangular. Y si registramos algunas células, vistas aquí en diferentes colores, cada una de ellas tiene un patrón de disparo de la cuadrícula a través del ambiente, y cada patrón de disparo de la celda de la cuadrícula, se desplaza ligeramente en relación a las otras células. Por lo tanto, la roja dispara en esta cuadrícula, la verde en ésta, y la azul en ésta.
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.
Así juntas, es como si la rata situara una cuadrícula virtual de disparos en todo su entorno, algo así como las líneas de longitud y latitud de los mapas, pero utilizando triángulos. Y a medida que se desplaza, la actividad eléctrica puede transferirse de una de las células a la otra para rastrear dónde se encuentra, y así utilizar sus propios movimientos para saber dónde está en su entorno.
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.
¿Las personas tienen celdas de cuadrícula? Bueno, que todos los patrones de disparo de la cuadrícula tengan los mismos ejes de simetría, las mismas orientaciones de la cuadrícula, que aquí están en naranja, significa que la actividad de la red de todas las celdas de la cuadrícula en un lugar particular del cerebro deberían cambiar de acuerdo a si corremos en estas 6 direcciones o si lo hacemos a lo largo de una de las 6 direcciones entremedio. Entonces, podemos poner a una persona en el escáner de RMI y darle un pequeño video para jugar como el que les mostré y observar las señales. Y de hecho, esto se observa en la corteza entorrinal, que está en la misma parte del cerebro en la que observamos las celdas de cuadrícula en las ratas.
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.
Entonces volviendo a Homero. Él, probablemente, recuerda donde estaba su auto, en términos de direcciones y distancias con los edificios y límites del lugar donde estacionó. Y podría representarse mediante el disparo de las células detectoras de limites. Él también recuerda el camino que tomó para salir del estacionamiento, el que estaría representado en el disparo de las celdas de la cuadrícula. Ahora los dos tipos de células pueden hacer disparar a las células de lugar. Y él puede volver al lugar donde estacionó moviéndose hasta encontrarlo, hasta que el patrón de disparo de las células de lugar en su cerebro encaje con el patrón que almacenó al estacionar. Y eso lo guía hacia el lugar, independientemente de las señales visuales, como por ejemplo, si el auto está realmente allí. Tal vez ha sido remolcado. Pero él sabe dónde estaba, así que sabe donde ir a buscarlo.
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.
Entonces, mas allá de la memoria espacial, si buscamos el patrón de disparo de la cuadrícula en todo el cerebro lo veremos en toda una serie de lugares que están siempre activos cuando realizamos toda clase de tareas de la memoria autobiográfica, como por ejemplo, recordar la última boda a la que asistimos. Así, puede ser que los mecanismos neuronales para representar el espacio que nos rodea también sean utilizados para generar imágenes visuales y así poder recrear la escena espacial de los eventos del pasado cuando queremos representarlos.
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.
Si esto sucedió, su memoria comenzaría activando entre sí las células de lugar a través de esta densa conexión y así reactivando células de frontera para crear la estructura espacial de la escena alrededor de su punto de vista. Y las celdas de la cuadrícula pueden mover esta perspectiva a través de ese espacio. Otro tipo de células, las células de dirección de la cabeza, que no había mencionado, orientan como una brújula el camino a recorrer. Ellas pueden precisar la dirección de visualización desde la cual se desea formar una imagen para las imágenes visuales de uno, y así se podrá representar que pasó en la boda a la que se asistió, por ejemplo.
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.
Éste es solo un ejemplo de una nueva era en neurociencia cognitiva donde estamos comenzando a comprender los procesos psicológicos, tales como de qué manera recordamos o imaginamos, o alguna vez pensamos en términos de actos de miles de millones de neuronas individuales que componen nuestro cerebro.
Thank you very much.
Muchas gracias.
(Applause)
(Aplausos)