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.
Quand nous nous garons dans un grand parking, comment nous souvenons-nous de l'endroit où nous avons garé notre voiture? Voici le problème d'Homer. Et nous allons essayer de comprendre ce qui se passe dans son cerveau.
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.
Nous allons donc commencer par l'hippocampe, ici en jaune, qui est l'organe de la mémoire. Si cet organe est endommagé, comme dans la maladie d'Alzheimer, vous ne pouvez pas vous souvenir des choses comme l'endroit où votre voiture est garée. Son nom vient du latin pour « cheval de mer », ce à quoi il ressemble. Et comme le reste du cerveau, il est constitué de neurones
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.
Le cerveau humain contient donc environ cent milliards de neurones. Et les neurones communiquent entre eux en envoyant de petites impulsions ou piques d'électricités via des connexions entre eux. L'hippocampe est formé de deux couches de cellules, qui sont interconnectées de façon très dense. Et les scientifiques commencent à comprendre comment la mémoire spatiale fonctionne en enregistrant depuis des neurones individuels chez des rats ou des souris pendant qu'ils creusent ou qu'ils explorent un environnement pour chercher de la nourriture.
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?"
Nous allons donc imaginer que nous enregistrons depuis un seul neurone dans l'hippocampe de ce rat ici. Et quand il lance une petite pique d'électricité, il va y avoir un point rouge et un clic. Ce que nous voyons donc c'est que ce neurone sait quand le rat va dans un endroit particulier de son environnement. Et il le signale au reste du cerveau en envoyant une petite pique électrique. Nous pourrions donc montrer le taux de décharge de ce neurone comme une fonction du lieu où se trouve l'animal. Et si nous enregistrons depuis de nombreux neurones différents, nous verrons que différents neurones déchargent des signaux quand l'animal va dans des parties différentes de son environnement, comme dans cette boite carrée ici. Ensemble ils forment donc une carte pour le reste du cerveau, qui dit au cerveau en continu, « Où suis-je maintenant dans mon environnement ? »
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.
On trouve aussi les cellules de localisation chez les humains. Alors les patients souffrants d'épilepsie ont parfois besoin de l'activité électrique dans le contrôle de leur cerveau. Et certains de ces patients ont joué à un jeu vidéo dans lequel ils se déplacent en voiture dans une petite ville. Et les cellules de localisation dans leurs hippocampes déchargent, s'activent, commencent à envoyer des impulsions électriques chaque fois qu'ils passent par un endroit particulier dans cette ville.
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.
Alors comment une cellule de localisation sait-elle où le rat ou la personne se trouve à l'intérieur de son environnement ? Et bien ces deux cellules ici nous montrent que les frontières de cet environnement sont particulièrement importantes. Et celle d'en haut aime décharger environ à mi-chemin entre les murs de la boite dans laquelle se trouve leur rat. Et quand vous agrandissez la boite, le siège de la décharge s'agrandit. Celle d'en dessous aime décharger chaque fois qui il y a un mur prêt au sud. Et si vous rajoutez un mur à l'intérieur de la boite, alors les cellules déchargent dans les deux endroits chaque fois qu'il y a un mur au sud quand l'animal explore sa boite. Cela prédit que l'impression de distance et de direction des limites qui vous entourent, les grands bâtiments etcétéra, est particulièrement importante pour l'hippocampe. Et bien sûr, parmi les données que reçoit l'hippocampe, on trouve des cellules qui projettent dans l'hippocampe, qui réagissent exactement à la détection des limites ou des bords à des distances ou des directions particulières du rat ou de la souris quand il explore son environnement.
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.
La cellule à gauche, vous voyez, décharge chaque fois qu'un animal s'approche d'un mur ou d'une limite à l'est, que ce soit un bord ou un mur d'une boite carrée ou un mur circulaire d'une boite circulaire ou même le bord libre d'une table, autour duquel les animaux courent, Et la cellule à droite là décharge chaque fois qu'il y a une limite au sud, que ce soit le bord libre de la table ou un mur ou même l'espace entre deux tables éloignées l'une de l'autre. C'est donc une manière dont nous pensons que les cellules de localisation déterminent où se trouve l'animal quand il explore son environnement.
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.
Nous pouvons aussi tester où nous pensons que les objets se trouvent, comme ce poteau de but, dans des environnements simples, ou bien sûr, où se trouve votre voiture. Nous pouvons faire explorer par des gens un environnement et voir le lieu dont ils doivent se souvenir. Et alors, si nous les remettons dans l'environnement, ils sont en général assez bons quand il s'agit de poser un marqueur là où ils pensent que le drapeau ou leur voiture se trouve. Mais dans certains de ces essais, nous pourrions changer la forme et la taille de l'environnement comme nous l'avons fait avec la cellule de localisation.
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.
Dans ce cas, nous pouvons voir comment ils pensent que le drapeau a subi des changements en fonction de la modification que vous apportez à la forme et la taille de l'environnement. Et ce que vous voyez, par exemple, si le drapeau était là où était cette croix dans un petit environnement carré, et ensuite si vous demandez aux gens où il était, mais que vous agrandissez l'environnement, là où ils pensaient que le drapeau se trouvait s'étend exactement de la même façon que la cellule de localisation qui décharge s'étend. C'est comme si vous vous souveniez où se trouvait le drapeau en enregistrant le modèle de décharge de toutes vos cellules de localisation à cet endroit. Et qu'ensuite vous reveniez à cet endroit en vous déplaçant de sorte que vous faites la meilleure association entre le modèle de décharge de vos cellules de localisation et le modèle enregistré. Cela vous guide pour revenir à l'endroit dont vous voulez vous rappeler.
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.
Mais nous savons aussi où nous nous trouvons par le mouvement. Alors si nous suivons un chemin qui nous éloigne -- peut-être que nous nous garons et nous nous éloignons -- nous savons grâce à nos propres mouvements, que nous pouvons intégrer sur ce chemin en gros la direction à prendre pour revenir. Et les cellules de localisation reçoivent aussi ces informations d'intégration de chemin d'un genre de cellules appelées une cellule de grille.
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.
On trouve les cellules de grilles, là encore, sur les informations envoyées à l'hippocampe, et elles sont un peu similaires aux cellules de localisation. Mais maintenant quand le rat explore son environnement, chaque cellule décharge dans toutes sortes d'endroits différents qui se trouvent partout dans l'environnement sur une grille qui est étonnamment triangulaire. Et si on enregistre de plusieurs cellules de grille -- ici en différentes couleurs -- chacune a un modèle de décharge qui ressemble à une grille dans l'environnement et le modèle de décharge en forme de grille de chaque cellule est légèrement déplacé en fonction des autres cellules. Alors le rouge décharge sur cette grille et le vert sur celle-ci et le bleu sur celle-ci.
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.
Alors ensemble, c'est comme si le rat pouvait mettre une grille virtuelle de points de décharge dans son environnement -- un peu comme les lignes de latitude et de longitude qu'on trouve sur une carte, mais en utilisant des triangles. Et quand il se déplace, l'activité électrique peut passer d'une de ces cellules à la suivante pour garder une trace de l'endroit où il se trouve, afin de pouvoir utiliser ses propres mouvements pour savoir où il se trouve dans son environnement.
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.
Les gens ont-ils des cellules de grille? Parce que tous les modèles de décharge en forme de grille ont les mêmes axes de symétrie, les mêmes orientations de grille, en orange ici, cela signifie que l’activité en réseau de toutes les cellules de grille dans une partie donnée du cerveau devrait changer selon que nous parcourons ces six directions ou que nous parcourons une des six directions intermédiaires. Nous pouvons donc mettre des gens dans un scanner IRM et les faire jouer à un petit jeu vidéo comme celui que je vous ai montré et rechercher ce signal. Et en effet, on le voit bien dans le cortex entorhinal humain, qui est la même partie du cerveau où on voit les cellules de grille chez le rat.
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.
Alors revenons à Homer. Il se rappelle probablement où se trouvait sa voiture en termes de distances et de directions par rapport aux grands bâtiments et aux limites autour de l'endroit où il s'est garé. Et cela serait représenté par la décharge des cellules détectrices de limites. Il se souvient aussi du chemin qu'il a pris pour sortir du parking qui serait représenté dans la décharge des cellules de la grille. Maintenant ces deux types de cellules peuvent faire décharger les cellules de localisation. Et il peut retourner à cet endroit où il s'est garé en se déplaçant de façon à le trouver pour qu’il s'accorde le mieux avec le modèle de décharge des cellules de localisation dans son cerveau en ce moment avec le modèle enregistré de l'endroit où il a garé sa voiture. Et ça le ramène à cet endroit indépendamment des indices visuels comme de savoir si la voiture est vraiment là. Elle a peut-être été remorquée. Mais il sait où elle se trouvait, il sait donc aller la chercher.
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.
Alors au delà de la mémoire spatiale, si nous cherchons ce modèle de décharge en forme de grille dans tout le cerveau, nous le voyons dans toute une série d'endroits qui sont toujours actifs quand nous exécutons toutes sortes de taches de mémoire autobiographique, comme de vous rappeler la dernière fois que vous êtes allés à un mariage, par exemple. Il se peut donc que les mécanismes neuronaux impliqués dans la représentation de l'espace qui nous entoure sont aussi utilisés pour générer une imagerie visuelle pour nous permettre de recréer la scène spatiale, au moins, des évènements que nous avons vécus quand nous voulons les imaginer.
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.
Donc si cela se produisait, vos souvenirs pourraient commencer par des cellules de localisation qui s'activent entre elles par le biais d'interconnexions denses et ensuite qui réactivent des cellules de limites pour créer la structure spatiale de la scène autour de votre point de vue. Et les cellules de la grille pourraient déplacer ce point de vue à travers cet espace. Un autre type de cellules, les cellules de direction de la tête dont je n'ai pas encore parlé, déchargent comment une boussole selon la direction vers laquelle vous regardez. Elles pourraient définir la direction de la vision depuis laquelle vous voulez générer une image pour votre imagerie visuelle, pour que vous puissiez imaginer ce qui s'est passé quand vous étiez à ce mariage, par exemple.
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.
Ceci n'est qu'un exemple d'une véritable nouvelle ère pour la neuroscience cognitive où nous commençons à comprendre les processus psychologiques comme la façon dont vous vous souvenez ou imaginez ou même pensez en termes d'actions des milliards de neurones individuels qui composent nos cerveaux.
Thank you very much.
Merci beaucoup.
(Applause)
(Applaudissements)