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.
Երբ մեքենան կանգնեցնում ենք մեծ ավտոկայանատեղիում, ինչպե՞ս ենք հիշում, թե որտեղ ենք կանգնեցրել այն: Ահա խնդիրը, որի առաջ կանգնել է Հոմերը: Եվ մենք փորձելու ենք հասկանալ, թե ինչ է կատարվում նրա ուղեղում:
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.
Սկսենք հիպոկամպից՝ հիշողության համար պատասխանատու օրգանից. այն դեղինով է նշված: Եթե դուք այնտեղ վնասվածք ունեք, ինչպիսին լինում է Ալցեյմերի դեպքում, ապա շատ բաներ չեք կարող հիշել, այդ թվում՝ այն, թե որտեղ եք կայանել: Անունը լատինական ծագում ունի, նշանակում է «ծովաձի», իրականում այն հենց ծովաձի է հիշեցնում: Ու ինչպես ամբողջ ուղեղը, այն կազմված է նեյրոններից:
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.
Եվ այսպես, մարդկային ուղեղը կազմված է մոտավորապես հարյուր միլիարդ նեյրոններից: Վերջինները միմյանց միջև եղած կապի միջոցով հաղորդակցվում են` իրար ուղարկելով փոքրիկ էլեկտրական զարկեր կամ ազդակներ: Հիպոկամպը կազմված է նեյրոնների երկու շերտից, որոնք շատ խիտ փոխկապակցված են: Եվ գիտնականները, սկսել են հասկանալ, թե ինչպես է աշխատում տարածական հիշողությունը` գրանցելով ուտելիք գտնելու համար տարածքն ուսումնասիրող առնետների ու մկների առանձին նեյրոնների աշխատանքը:
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?"
Ուրեմն, պատկերացնենք, թե մենք գրանցում ենք այս առնետի հիպոկամպի մեկ նեյրոնի աշխատանքը: Էլեկտրաքիմիական թույլ ազդանշանի առաջացման դեպքում երևալու է կարմիր կետ, և ազդանշան է լսվելու: Ուրեմն ի՞նչ ենք տեսնում. տվյալ նեյրոնը գիտի, թե երբ է այս առնետը որևէ տեղ գնում իր միջավայրում: Եվ այն հաղորդում է այդ տեղեկությունը ուղեղի մնացած մասին թույլ էլեկտրաքիմիական ազդանշանի տեսքով: Այսպիսով, մենք կարող ենք ասել, որ նեյրոնի` ազդանշան ուղարկելու արագությունը համընկնում է կենդանու գտնվելու վայրի հետ: Ու եթե գրանցենք տարբեր նեյրոնների աշխատանքը, կտեսնենք, որ դրանք ազդանշան են տալիս, երբ կենդանին շարժվում է տարածության մեջ, ինչպես այստեղ ցուցադրված քառակուսի արկղի դեպքում: Այսպիսով, բոլոր նեյրոնները միասին քարտեզ են կազմում ուղեղի մնացած մասի համար՝ շարունակ ուղեղին ասելով. «Որտե՞ղ եմ ես հիմա գտնվում իմ միջավայրում»:
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.
Տեղային նեյրոնների աշխատանքը գրանցել են նաև մարդկանց մոտ: Էպիլեպսիայով հիվանդները երբեմն էլեկտրական ակտիվության վերահսկման կարիք ունեն: Ու երբ այս հիվանդներից ոմանք վիդեոխաղեր էին խաղում, որտեղ մեքենան այս ու այն կողմ էին քշում փոքրիկ քաղաքով, տեղային նեյրոնները իրենց հիպոկամպում աշխուժանում էին, սկսում ուղարկել էլեկտրական իմպուլսներ ամեն անգամ, երբ նրանք հայտնվում էին կոնկրետ վայրում:
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.
Ուրեմն ինչպե՞ս են տեղային բջիջներն իմանում, թե որտեղ է գտնվում մարդը կամ առնետը իր տարածության մեջ: Ահա, այս երկու բջիջները ցույց են տալիս, որ տարածության սահմանները հատկապես կարևոր են այդ գործում: Վերևինը սկսում է ակտիվանալ, երբ առնետը հայտնվում է արկղի պատերի մեջտեղում: Ու երբ արկղը մեծանում է, ակտիվացման տարածությունը ևս մեծանում է: Ներքևում գտնվողը սկսում է ակտիվանալ, եթե հարավում պատ կա: Եվ եթե մեկ այլ պատ դնենք արկղի մեջ, ու կենդանին սկսի տեղաշարժվել, բջիջը երկու տեղերում էլ կակտիվանա, երբ դեպի հարավ պատ լինի: Այսպիսով, կարելի է ենթադրել, որ հիպոկամպի համար շատ կարևոր է զգալ ձեր շուրջ եղած հեռավորությունն ու ուղղությունը՝ ընդարձակ կառույցներ և այլն: Եվ իրոք, հիպոկամպի եզրերին կան բջիջներ, որոնք հստակ արձագանքում են սահմանների կամ եզրերի հայտնաբերմանը` լինելով մկնիկից կամ առնետից կոնկրետ հեռավորության կամ ուղղության վրա:
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.
Այսպիսով, ձախ կողմի բջիջն ակտիվանում է, հենց որ կենդանին մոտենում է արևելյան պատին կամ սահմանին՝ լինի դա անկյուն, քառակուսի արկղի պատ, շրջանաձև արկղի պատ կամ անգամ սեղանի ծայրի մի փոքր հատված, որի շուրջ կենդանին վազում է: Իսկ այնտեղ աջ կողմի բջիջն ակտիվանում է, հենց որ հարավից սահման կա՝ լինի դա սեղանի ծայրի մի մաս,պատ, անգամ երկու սեղանների միջև եղած տարածք: Այսպիսով, սա այն ուղիներից մեկն է, որով, ըստ մեզ, տեղի բջիջները որոշում են, թե որտեղ է կենդանին, երբ վերջինս շրջում է իր տարածքով:
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.
Մենք նաև կարող ենք ստուգել, թե որտեղ են սովորական միջավայրում գտնվում առարկաները, օրինակ, ինչպիսին այս դրոշն է, կամ հենց ձեր մեքենան: Այսպիսով, մարդիկ կարող են լինել կոնկրետ միջավայրում ու տեսնել այն տարածքը, որը պիտի մտապահեն: Հետո, երբ նրանք նորից հայտնվում են այդ միջավայրում, սովորաբար հեշտությամբ կարողանում են գտնել, թե որտեղ էր դրոշակը, կամ իրենց մեքենան: Բայց որոշ փորձերի ժամանակ կարող ենք փոխել միջավայրի ձևը և չափը, ինչպես արեցինք տեղային նեյրոնների հետ:
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.
Այդ դեպքում տեսնում ենք, որ նրանք սկսում են մտածել, թե դրոշակի տեղը փոխվել է, քանի որ փոխել ենք միայն տարածքի ձևն ու չափը: Եվ ինչ կստացվի, եթե, օրինակ, դրոշը լինի այս խաչի փոխարեն` այդ փոքր քառակուսի միջավայրում. երբ հարցնեք մարդկանց, թե այն որտեղ է, ու դրա հետ մեկտեղ միջավայրը մեծացրած լինեք, նրանց կարծիքով, դրոշի գտնվելու վայրի հավանականությունը կմեծանա այնքանով, որքանով տեղային նեյրոնների ակտիվացման տարածքն է մեծացել: Դա նման է նրան, որ կարծես դուք հիշում եք, թե որտեղ էր դրոշակը՝ մտապահելով, թե տարածքի կոնկրետ, որ մասով անցնելիս էին ձեր տեղային բջիջներն ակտիվանում, հետո էլ կարողանում եք հետ գնալ ճիշտ այդ վայրը՝ այնպես, որ այդ պահին ձեր տեղային բջիջները ակտիվությունը լավագույնս համապատասխանի այդ նախորդ անգամվա ակտիվացման օրինակին: Դա վերադարձնում է ձեզ դեպի այն վայրը, որը դուք ցանկանում եք հիշել:
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.
Բայց մենք նաև իմանում ենք, թե որտեղ ենք գտնվում շարժման միջոցով: Այսինքն, եթե մենք սկսում ենք քայլել ճանապարհով, ասենք, մեքենան կանգնեցրել ենք, և ուղղակի քայլում ենք, մեր ինտեգրած շարժումներն օգնում են հետագայում գտնել դեպի հետ տանող ճամփան: Տեղային բջիջները ևս ստանում են նման ինտեգրացիոն տեղեկություն «ցանցային» կոչվող բջջից:
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.
Ցանցային բջիջները մտնում են հիպոկամպի մեջ ու մի փոքր նման են տեղային բջիջներին: Երբ առնետը շրջում է տարածքով, յուրաքանչյուր առանձին բջիջ ակտիվանում է այդ միջավայրի մեջ գտնվող բազմաթիվ կետերում` ստեղծելով զարմանալիորեն կանոնավոր եռանկյունաձև ցանց: Ու եթե գրանցենք ցանցային մի քանի բջիջների ակտիվությունը (դրանք այստեղ ցուցադրված են տարբեր գույներով), ունի բջիջների ցանցանման ազդանշանելու օրինաչափություն, և յուրաքանչյուրը հարաբերականորեն տարբերվում է մյուս ցանցերից: Այսպիսով, կարմրի ազդանշանային ցանցը սա է, կանաչինը՝ սա, կապույտինն էլ` այս մյուսը:
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.
Այսպիսով, կարծես առնետը կարողանում է ակտիվության տարածքների վիրտուալ ցանց իր տարածության մեջ, սա մի քիչ նման է երկայնության ու լայնության գծերին, որոնք լինում են քարտեզի վրա, բայց եռանկյունիների տեսքով: Եվ երբ այն շարժվում է, էլեկտրական ակտիվությունը կարող է փոխանցվել մեկ բջջից մյուսին, որպեսզի առնետն իր շարժումները կապելու միջոցով իմանա, թե որտեղ է ինքը գտնվում իր տարածության մեջ:
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.
Արդյոք մարդիկ ունե՞ն ցանցային բջիջներ: Քանի որ բոլոր ակտիվ բջիջների ցանցերն ունեն համաչափության նույն առանցքային գիծը, ցանցի նույն կողմնորոշիչները, որը ցուցադրված է այստեղ նարնջագույնով, ապա սա նշանակում է, որ ուղեղի որոշակի հատվածում բոլոր ցանցային բջիջների գործողությունները պետք է փոփոխվեն կախված այն բանից, թե մենք գնում ենք այս վեց ուղղություններով էլ, թե մեկ միջանկյալ գծով: Այսպիսով, կարող ենք մարդուն դնել ՄԱՆ ծրիչի մեջ, խնդրել, որ նա խաղա մի փոքրիկ վիդեոխաղ, ինչպիսին ես ձեզ ցույց տվեցի, և սպասենք այս ազդանշանին: Իհարկե, դուք դա տեսնում եք մարդու ուղեղի թաղանթի էնտորինալ հատվածում, որը նույնն է, ինչ առնետների մոտ ցանցային նեյրոնը:
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.
Այսպիսով, վերադառնանք Հոմերին: Նա հավանաբար հիշում է, թե որտեղ է իր մեքենան` հաշվի առնելով կայանելու վայրից և դրա շուրջը եղած կառույցներից ունեցած հեռավորությունը և ուղղությունը: Եվ դա հնարավոր է դարձել սահմանները որոշող ակտիվ նեյրոնների շնորհիվ: Նա նաև հիշում է այն ճանապարհը, որով նա դուրս էր եկել ավտոկայանատեղիից, որը կներկայացվի ակտիվացող ցանցային նեյրոններով: Հիմա այս երկու տեսակի նեյրոններն ակտիվացնում են տեղային բջիջները: Եվ նա կարող է վերադառնալ այն վայրը, որտեղ կայանել էր` շարժվելով և համադրելով տեղանքի ընթացիկ ուղեցույցը, որն այդ պահին ստեղծվում է ուղեղում, և այն ուղեցույցը, որն արդեն կար հիշողության մեջ: Եվ դա նրան ետ է տանում այդ վայրը, անկախ այն բանից, թե արդյոք նրա մեքենան այնտեղ է իրականում: Հավանաբար այն հետ են հրել: Բայց նա հիշում է, թե որտեղ էր այն, և գիտի`ինչպես վերադառնալ այնտեղ:
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.
Այսպիսով բացի տարածական հիշողությունից, այս ցանցանման ակտիվությունը հանդիպում է ամբողջ գլխուղեղում: Մենք այն մշտապես նկատում ենք ակտիվ հատվածներում, որոնք պատասխանատու են ինքնակենսագրական առաջադրանքների կատարման համար, ինչպիսին է, օրինակ, հիշելը, թե վերջին անգամ երբ եք հարսանիք գնացել: Այսպիսով, մեր շրջակա տարածության նեյրոնային մեխանիզմների տրամադրումը կարող է օգտագործվել տեսողական կերպարներ ստեղծելու համար, որպեսզի մենք ցանկացած պահի կարողանանք վերստեղծել տարածական տեսարաններ, կամ իրադարձություններ, որոնք պատահել են մեզ հետ:
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.
Ուրեմն, եթե սա տեղի է ունենում, ձեր հիշողությունները սկսում են ակտիվանալ տեղային նեյրոնների` մեկը մյուսի հետ ունեցած կապի միջոցով, և ապա ակտիվանում են սահմանային բջիջները, որպեսզի ստեղծեն տեսարանի տարածական կառույց ձեր տեսադաշտի շուրջը: Իսկ ցանցային նեյրոններն այդ տարածությունով կարող են շարժել այս տեսադաշտը: Բջիջների մեկ այլ տեսակ են օրիենտացիոն նեյրոնները, որոնց մասին ես դեռ չէի խոսել.սրանք առաջանում են շրջանի նման` կախված նրանից, թե ինչ ուղղությամբ եք դուք գնում: Այս նեյրոնները կարող են որոշել այն ուղղությունը, որում դուք ցանկանում եք կերտել ձեր տեսողական երևակայության համար մի պատկեր, և դուք կարող եք պատկերացնել, թե ինչ պատահեց , օրինակ, երբ դուք այս հարսանիքին էիք:
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.
Այսպիսով, սա նոր դարաշրջանի միայն մեկ օրինակ է ճանաչողական նյարդաբանության մեջ, որտեղ մենք սկսում ենք հասկանալ այնպիսի հոգեբանական գործընթացներ, ինչպիսին է այն, թե մենք ինչպես ենք հիշում կամ պատկերացնում կամ անգամ մտածում միլիարդավոր անհատական նեյրոնների գործելու ժամանակ, Շատ շնորհակալություն
Thank you very much.
Շատ շնորհակալություն
(Applause)
(Ծափահարություններ)