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.
Amikor megállunk egy nagy parkolóban, honnan tudjuk, pontosan hol van az autónk? Homer is ezzel a problémával szembesül. És most megnézzük, mi is történik az agyában.
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.
Kezdjük a hippokampusznál, a képen sárgával jelölve. Ez az emlékezet szerve. Ha az agynak ez a része megsérül, mint az Alzheimer-kór esetében, akkor képtelenné válunk emlékezni bizonyos dolgokra, többek között arra is, hogy hol a kocsink. Latinul a szó tengeri csikót jelent, és hasonlít is rá. Neuronokból épül fel, csakúgy, mint az agy többi része.
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.
Tehát az emberi agy körülbelül százmilliárd neuronból áll. És ezek a neuronok elektromos impulzusokat küldenek az egymást összekötő idegrostokon keresztül, így kommunikálva egymással. A hippokampusz két sejtrétegből áll, amelyek nagyon sűrűn kapcsolódnak. A tudósok mostanában kezdték megérteni, hogy működik a helyismereti emlékezet, úgy, hogy egyes neuronok aktivitását mérték patkányokban és egerekben, amikor az állatok felmérnek és felfedeznek egy környezetet élelmet keresve.
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?"
Most képzeljük azt, hogy figyeljük egy neuron aktivitását ennek a patkánynak a hippokampuszában, és amikor egy kis elektromos kisülést hoz létre, azt egy vörös pöttyel és egy kattanással jelezzük. Amint az jól látszik, a neuron tudja, amikor a patkány egy bizonyos helyre ér, és jelez az agy többi részének a már említett elektromos impulzussal. Most láthatjuk a neuron kisülési sebességét az állat helyzetének függvényében. Ha sok különböző neuron aktivitását mérjük, láthatjuk, hogy más neuronok sülnek ki, amikor az állat más helyre ér a környezetében, mint ahogy ebben a négyzetben látszik is. Összességében egy térképet formálnak, az agy többi részének, és folyamatosan tájékoztatják az agyat arról, "Hol vagyok most a környezetemben?"
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.
E "helysejtek" aktivitását embereknél is mérték. Epilepsziásoknál néha mérik az agy elektromos aktivitását. Néhányuk videojátékot játszott, amelyben egy kisvárosban kellett közlekedniük. A helysejtek a hippokampuszukban aktivizálódnak, kisülnek, elektromos impulzusokat küldenek, amikor egy bizonyos helyre érnek a városban.
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.
Honnan tudja egy helysejt, hol van a patkány vagy az ember a környezetében? Ha ezt a két sejtet nézzük, akkor láthatjuk, hogy a tér határai kiemelt fontosságúak. A fölső sejt akkor sül ki, amikor körülbelül a két fal közé ér a patkány a dobozban. Ha kibővítjük a helyet a dobozban, akkor a kisülési hely is bővül. Az alsó sejt akkor sül ki, amikor déli irányban egy fal közeledik. Ha még egy falat berakunk a dobozba, a sejt mindkét helyen kisül, mindig, amikor déli irányban falat észlel a patkány a dobozban. Azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a távolságok, irányok és határok érzékelése a minket körülvevő térben kiemelten fontos a hippokampusz számára. A hippokampusz bemeneteinél olyan sejteket találunk, amelyek a hippokampusznak szolgáltatnak információt, és ezen sejtek pontosan a határokat, és a széleket érzékelik bizonyos távolságokban és irányokban, ahogy a patkány vagy az egér felméri környezetét.
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.
A baloldali sejt tehát, ahogy látják kisül, amikor az állat közel kerül egy falhoz vagy határvonalhoz keleti irányban, legyen az egy szél vagy négyzet alakú doboz fala, egy kör alakú doboz fala, vagy akár egy asztal szélén a mélység. A jobboldali sejt pedig kisül, amikor határvonal található déli irányban, akár az asztal széléről, akár falról beszélünk, de kiváltja a reakciót a rés két asztal között, amelyeket kicsit elhúztunk egymás mellől. Ez tehát az egyik része a mechanizmusnak, amiről a tudósok úgy gondolják, a helysejtek használnak az állat helyzetének meghatározására.
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.
Azt is letesztelhetjük, hogy bizonyos tárgyakat hogyan találhatunk meg, mint például ezt a zászlót egyszerű környezetben, vagy bizony azt, hol is van a kocsink. Tehát van egy környezetünk, amiben emberek vándorolnak, és látják azt a helyet, amire emlékezniük kell. És ha visszahelyezzük őket a környezetbe, általában elég nagy pontossággal tudnak letenni egy jelzést arra a helyre, ahol emlékeik szerint látták a zászlót vagy az autójukat. Néhány próba során megváltoztattuk a környezet méretét és alakját, ahogy azt a helysejtek esetében is tettük.
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.
Ezekben az esetekben azt látjuk, hogy az emlékeikben található hely, ahol a zászló volt, megváltozik, a környezet méretének és alakjának változásával arányosan. Például, ha a zászló annak a kis keresztnek a helyén volt, abban a kis négyzet alakú környezetben, aztán megkérdezzük az alanyokat, hol volt, de a környezetet közben felnagyítjuk, akkor a hely, ahová a zászlót helyezik, pontosan úgy helyeződik át, mint ahová a helysejt kisülése helyeződött át. Mintha úgy emlékeznénk a zászló helyére, hogy eltároljuk a helysejtek kisülési mintázatait az adott helyen, aztán úgy találunk vissza arra a helyre, hogy sétálgatunk, és megnézzük, hogy a helysejtek jelenlegi kisülési mintázata hol hasonlít legjobban az eltárolt mintázathoz. Ez vezet vissza arra a helyre, amire emlékezni szeretnénk.
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.
De a mozgás is segít abban, hogy megtudjuk, hol vagyunk. Tehát ha egy kivezető útvonalat választunk, mondjuk leparkoltunk és eltávolodunk a kocsitól, akkor a mozdulataink alapján, amiket rá tudunk helyezni erre az útvonalra, emlékszünk, nagyjából merre tudunk visszajutni. A helysejtek kapnak útvonalintegrációs adatokat más sejtektől, amelyeket '"rácssejteknek" neveztek el.
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.
A rácssejtek szintén a hippokampusz bemeneti csatornáin találhatóak, és hasonlítanak egy kicsit a helysejtekre. De ahogy a patkány feltárja környezetét, a rácssejtek mindegyike egy egész sor kisülést produkál más-más helyeken amelyek a környezetet teljesen átfogják, egy gyönyörűen szabályos háromszöges rácshálózatba. És ha egyszerre több rácssejt aktivitását mérjük, és különböző színekkel jelöljük, mindegyikük a környezetet átfogó rácsszerű kisülési mintázatot produkál, és minden sejt rácsszerű kisülési mintázata egy kicsit el van tolódva a többi sejt mintázatához képest. A vörös tehát ezen a rácson sül ki, a zöld azon, a kék pedig ezen,
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.
összevetve tehát a patkány képes a környezetére rávetíteni egy virtuális rácsot, ami mutatja a kisüléseket, hasonlóan a szélességi és hosszúsági vonalakhoz, amik térképeken találhatók, csak háromszögekkel. Ahogy járkál, az elektromos aktivitás átkerül egyik sejtről a másikra, hogy kövesse, merre is jár így tudja felhasználni saját mozgását is arra, hogy megállapítsa, mi a jelenlegi helyzete.
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.
Vannak az embereknek rácssejtjeik? Mivel az összes rácsszerű kisülési mintázatnak ugyanaz a szimmetriatengelye, ugyanúgy orientálódnak, ahogy az narancssárgával látszik is itt, ezért a rácssejtek aktivitása az agy egy bizonyos részében megváltozik annak függvényében, hogy éppen e hat irány egyikében mozgunk, vagy egy olyan irányban, ami e hat irány között található. Tehát egy MRI-készülékkel mérhetjük az agyi aktivitást, miközben emberek játszanak egy olyan játékkal, amit korábban bemutattam önöknek, és figyelhetjük ezt az adatot. És láthatjuk is az entorhinális kéregben, ami az agynak ugyanaz a része, amiben a patkányok rácssejtjei találhatók.
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.
Térjünk vissza Homerhez. Valószínűleg emlékszik rá, hol a kocsija, emlékszik az irányokra és a távolságokra, a környezet határaira a hely körül, ahol parkolt. És ezt ábrázolhatjuk a határvonal-érzékelő sejtek kisülésével. Az útvonalra is emlékszik, amelyen elhagyta a parkolót, amit ábrázolhatunk a rácssejtek kisülési mintázataival. Mindkét típusú sejt kisülésre készteti a helysejteket. És úgy térhet vissza az autójához, hogy elindul, és megkeresi, hol hasonlít legjobban az agyában a jelenegi kisülési minta az eltárolt kisülési mintához. Ez vezeti vissza őt a helyre a látványtól függetlenül, mint például attól is, hogy ott van-e az autó egyáltalán. Talán elvontatták.... De tudja, hogy hol volt, tehát vissza tud találni hozzá.
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.
A helymemórián kívül, ha rácsszerű kisülési mintázatot keresünk az agy egészében, sok helyen megtaláljuk, amelyek mindig aktívak, ha önéletrajzi adatokra kell emlékeznünk, mint például mikor voltunk utoljára esküvőn. Azok az idegi mechanizmusok talán, amelyek kifejezik a teret körülöttünk, úgyszintén használatosak arra, hogy létrehozzunk egy vizuális környezetet, amelyben elhelyezhetjük az eseményeket, amik megtörténtek velünk, és így visszaidézhetőkké válnak.
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.
Tehát ha tényleg ez a helyzet, az emlékek létrehozása úgy kezdődik, hogy a helysejtek egymást aktivizálni kezdik a sűrű kapcsolataik által, aztán aktiválják a határsejteket, hogy létrehozzanak egy környezetet, egy helyszínt, hogy hogy nézett ki a jelenet a nézőpontunkból. A rácssejtek mozgathatják ezt a nézőpontot a helyszínen belül. Másféle sejtek, amelyek a fej irányát rögzítik, amelyeket még nem említettem, úgy sülnek ki, mint egy iránytű, annak függvényében, éppen merre nézünk. Meghatározzák a nézőpontot, amelyből létrehozhatunk egy képet a képi emlékezethez, tehát például elképzelhetjük, mi történt, amikor ezen az esküvőn voltunk.
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.
Ez csak egy példa a kognitív neurológia egy új korszakából, amelyben kezdjük megérteni a pszichológiai folyamatokat, mint az emlékezet, a képzelet vagy akár a gondolkodás, agyunk milliárdnyi különálló neuronjai aktivitásának függvényében.
Thank you very much.
Köszönöm a figyelmüket!
(Applause)
(Taps)