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 rappelons nous où nous avons garé notre voiture? Voici le problème que rencontre 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 commencerons donc par l'hippocampe, représenté en jaune, qui est l'organe de la mémoire. Si cette zone est endommagée, comme dans le cas d'Alzheimer, vous ne pouvez pas souvenir de choses telles que l'endroit où vous avez garé votre voiture. Son nom vient du latin "cheval des mers", auquel il ressemble. Et comme le reste du cerveau, il est fait 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.
Donc le cerveau humain compte environ une centaine de milliards de neurones. Et les neurones communiquent entre eux en envoyant de petites impulsions ou pointes d'électricité via les connexions qu'ils ont entre eux. L'hippocampe est formé de deux couches de cellules, qui sont étroitement interconnectées. Et les scientifiques commencent à comprendre comment la mémoire spatiale fonctionne en enregistrant à partir de neurones isolés chez les rats ou les souris pendant qu'ils cherchent ou explorent leur environnement à la recherche de 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 à partir d'un seul neurone dans l'hippocampe de ce rat ici. Et quand il produit une petite pointe d'électricité, il y aura un point rouge et un clic. Donc ce que nous voyons c'est que ce neurone sait quand le rat va dans une zone particulière de son environnement. Et il le signale au reste du cerveau en envoyant une petite décharge électrique. Nous pourrions donc montrer que le taux de décharge de ce neurone comme étant fonction de la localisation de l'animal. Et si nous enregistrons depuis de nombreux neurones différents, nous verrons que ces différents neurones émettent quand l'animal va dans différentes parties de son environnement, comme dans cette boite carrée montrée ici. Ensemble ils forment donc une carte pour le reste du cerveau, qui dit continuellement au cerveau, "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.
Les cellules de localisation sont aussi trouvées chez les humains. Les patients épileptiques ont parfois besoin que l'activité électrique de leur cerveau soit contrôlée. Et certains de ces patients ont joué à un jeu vidéo où ils conduisent dans une petite ville. Et les cellules de localisation dans leur hippocampe émettent, deviennent actives, commencent à envoyer des impulsions électriques à chaque fois qu'ils conduisent dans un endroit particulier de 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.
Donc comment une cellule de localisation sait-elle où le rat ou la personne se trouve dans son environnement? Ces deux cellules ici nous montrent que les frontières de cet environnement sont particulièrement importantes. Celle du haut aime émettre quelque part à mi-chemin entre les murs de la boite dans laquelle se trouve leur rat. Et quand on grandit la boite, la zone de décharge s'agrandit. Celle du bas aime émettre dès qu'il y a un mur à proximité au Sud. Et si vous mettez un autre mur dans la boite, alors les cellules émettent aux deux endroits à chaque fois qu'il y a un mur au Sud quand l'animal explore sa boite. Ceci prédit donc que ressentir les distances et les directions des frontières autour de vous -- les bâtiments étendus et autres -- est particulièrement important pour l'hippocampe. Et ainsi, dans les données d'entrée de l'hippocampe, on trouve des cellules qui projettent dans l'hippocampe, qui répondent exactement à la détection de limites ou de bords à des distances et des directions particulières du rat ou de la souris pendant son exploration.
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.
Donc la cellule sur la gauche, vous pouvez voir qu'elle émet dès que l'animal s'approche d'un mur ou d'une limite à l'Est, que ce soit le bord ou le mur d'une boite carrée ou le mur circulaire de la boite circulaire ou même le bord d'une table, autour de laquelle les animaux courent. Et la cellule sur la droite émet dès qu'il y a une frontière au sud, que ce soit le bord de la table ou un mur ou même l'espace entre deux tables qui sont séparées. C'est donc une des façons 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 trouverait votre voiture. Nous pouvons ainsi faire explorer un environnement à des gens et voir l'endroit qu'ils doivent mémoriser. Et alors, si nous les mettons de nouveau dans cet environnement, ils sont généralement assez bons pour mettre un indicateur là où ils pensent que le drapeau ou leur voiture était. Mais dans certains tests, nous avons changé la forme et la taille de l'environnement comme nous 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 l'endroit où ils pense que le drapeau était change en fonction de la manière dont vous changez la forme et la taille de l'environnement. Et ce que vous voyez, par exemple, si le drapeau était où se trouve cette croix dans un petit environnement carré, et quand vous demandez aux gens où il était, mais que vous avez rendu l'environnement plus gros, où ils pensent que le drapeau était se décale exactement de la même façon que l'endroit où la cellule émet se décale. C'est comme si vous vous rappeliez où se trouvait le drapeau en stockant le schéma de décharge de toutes vos cellules de localisation à cet endroit, et qu'alors vous retourniez à cet endroit en vous déplaçant de manière à correspondre au mieux au schéma de décharge de vos cellules de localisation et au schéma enregistré. Cela vous guide vers l'endroit dont vous voulez vous souvenir.
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 sommes à travers le mouvement. Donc si nous prenons un chemin qui nous éloigne -- peut-être que nous sommes garés et que nous nous sommes égarés -- nous savons grâce à nos propres mouvements, que nous intégrons sur ce chemin approximativement quelle est la direction à prendre pour revenir. Et les cellules de localisation reçoivent aussi ce type d'intégration de chemin d'un type de cellule appelées 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.
Les cellules de grille se trouvent, encore, dans les données d'entrée de l'hippocampe, et elles sont un peu comme les cellules de localisation. Mais maintenant quand le rat explore son environnement, chaque cellule émet dans toute une série d'endroits différents qui sont répartis dans l'environnement dans une grille triangulaire étonnamment régulière. Et si vous enregistrez à partir de plusieurs cellules de grille -- représentées ici de différentes couleurs -- chacune a un motif de décharge en forme de grille dans l'environnement, et chaque motif en forme de grille est légèrement décalé par rapport aux autres cellules. Donc la rouge décharge sur cette grille et la verte sur celle-ci et la bleue sur celle-là.
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.
Et ensemble, c'est comme si le rat pouvait mettre une grille virtuelle des lieux de décharge sur son environnement -- un peu comme les lignes de latitude et de longitude que vous trouvez 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 cellule suivante pour suivre où il se trouve, et utiliser ses propres mouvements pour savoir où il est 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.
Est-ce que les gens ont des cellules de grille? Et bien comme les motifs de décharge en forme de grille ont le même axes de symétrie, les même orientations de grille, indiquées en orange ici, cela signifie que l'activité du réseau de toutes les cellules de grille dans une partie particulière du cerveau devrait changer selon que l'on parcoure ces six directions ou que l'on parcoure selon une de ces six directions intermédiaire. Nous pouvons donc mettre les gens dans un scanner IRM et les faire jouer à un petit jeu vidéo comme celui que je vous ai montré et chercher ce signal. Et alors vous le voyez dans le cortex entorhinal humain qui est la partie du cerveau où vous voyez les cellules de grille chez les rats.
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.
Donc revenons à Homer. Il se rappelle probablement où sa voiture était en termes de distances et de directions par rapport aux bâtiments étendus et aux frontières autour de l'endroit où il s'est garé. Et cela serait représenté par la décharge de cellules de détection des frontières. Il se rappelle aussi le chemin qu'il a pris en sortant du parking, ce qui serait représenté par la décharge de cellules de grille. Maintenant ces deux types de cellules peuvent faire émettre les cellules de localisation. Et il peut retourner à l'endroit où il s'est garé en se déplaçant de façon à trouver l'endroit où elle est qui correspond le mieux au motif de décharge actuel des cellules de localisation dans son cerveau et au motif enregistré quand il a garé sa voiture. Et ça le ramène à cet endroit indépendamment des repères visuels comme de savoir si sa voiture est là. Peut-être qu'elle a été remorquée. Mais il sait où elle était, donc il sait y aller et la récupérer.
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.
Donc au-delà de la mémoire spatiale, si nous cherchons ce motif de décharge en forme de grille à travers tout le cerveau, nous le voyons dans toute une série d'endroits qui sont toujours actifs quand nous faisons toutes sortes de taches de mémoire autobiographique , comme se rappeler la dernière fois que nous sommes allés à un mariage par exemple. Donc peut-être que les mécanismes neuronaux pour représenter l'espace autour de nous sont aussi utilisés pour générer une imagerie visuelle de manière à pouvoir recréer la scène spatiale, au moins, des évènements qui nous sont arrivés 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 s'activant les unes les autres via ces interconnections denses et réactivant alors les cellules frontière pour créer la structure spatiale de la scène autour de notre point de vue. Et les cellules de grilles pourraient déplacer ce point de vue dans cet espace. Un autre type de cellule, les cellules de direction, que je n'ai pas encore mentionnées, déchargent comme un compas en fonction de la direction que vous regardez. Elle peuvent définir la direction de la vue à partir de laquelle vous voulez générer une image pour votre imagerie visuelle, et que vous puissiez imaginer ce qui vous est arrivé 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.
C'est juste un exemple d'une nouvelle ère en neuroscience cognitive où on commence à comprendre les processus psychologiques tels que comment vous vous souvenez ou imaginez ou même pensez en termes d'actions des milliards de neurones individuels qui constituent vos cerveaux.
Thank you very much.
Merci beaucoup.
(Applause)
(Applaudissements)