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.
Quando parcheggiamo in un grande parcheggio, come ricordiamo dove abbiamo lasciato la macchina? Questo è il problema che ha Homer. E cercheremo di capire cosa succede nel suo cervello.
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.
Cominciamo con l'ippocampo, evidenziato in giallo, che è l'organo della memoria. Se è compromesso, come nell'Alzheimer, non vi ricordate le cose, compreso dove avete parcheggiato la macchina. Prende il nome dal cavalluccio marino, che gli assomiglia. E come il resto del cervello, è fatto di neuroni.
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.
Il cervello umano contiene circa 100 miliardi di neuroni. I neuroni comunicano tra di loro inviando piccoli impulsi o picchi di elettricità tramite le loro connessioni. L'ippocampo è formato da due strati di cellule, che sono densamente interconnesse. Gli scienziati hanno cominciato a capire come funziona la memoria spaziale analizzando i singoli neuroni nelle cavie mentre cercano cibo o esplorano l'ambiente.
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?"
Immagineremo di seguire le fasi di un singolo neurone nell'ippocampo di una cavia. Quando invia un piccolo impulso elettrico, un puntino rosso si accende e lampeggia. Quello che notiamo è che questo neurone sa quando la cavia è andata in un punto particolare di quell'ambiente. E lo segnala al resto del cervello inviando un piccolo impulso elettrico. Possiamo quindi mostrare la cadenza di invio di quel neurone come funzione della localizzazione dell'animale. E se consideriamo tanti neuroni diversi, vediamo che diversi neuroni si attivano quando l'animale va in punti diversi dell'ambiente, come nel riquadro che vedete qui. Insieme formano una mappa per il resto del cervello, dicendo continuamente al cervello: "Dove sono ora in questo 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.
Le cellule di posizione sono registrate anche negli umani. Talvolta i pazienti epilettici hanno bisogno di un controllo dell'attività elettrica del cervello. Alcuni di quei pazienti hanno giocato a un videogioco dove devono guidare in una piccola città. Le cellule di posizione del loro ippocampo si attivano, cominciano ad inviare impulsi elettrici ogni volta che guidano in un particolare punto di quella città.
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.
Allora, una cellula di posizione come sa dove sono la cavia o la persona nel loro ambiente? Queste due cellule mostrano che i confini dell'ambiente sono particolarmente importanti. A quella in alto piace attivarsi a metà strada tra i due muri della scatola in cui si trova la cavia. Quando allargate la scatola, il luogo di attivazione si espande. A quella in basso piace attivarsi ogni volta che un muro si avvicina a sud. E se mettete un altro muro nella scatola, la cellula si attiva in entrambi i punti ogni volta che c'è un muro a sud mentre l'animale esplora la scatola. Questo fa prevedere che rilevare le distanze e la direzione dei confini intorno a noi -- edifici circostanti e così via -- è particolarmente importante per l'ippocampo. Ed effettivamente, sulla base delle indicazioni all'ippocampo, si trovano cellule che proiettano dentro l'ippocampo, che rispondono esattamente al rilevamento di confini e bordi a particolari distanze e direzioni dalla cavia mentre questa esplora l'area.
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.
Quindi la cellula sulla sinistra, vedete, si attiva ogni volta che l'animale si avvicina a un muro o a un confine a est. che sia il bordo di un muro di una scatola quadrata o un muro circolare di una scatola circolare o anche il bordo di un tavolo, che l'animale percorre. E la cellula qui sulla destra si attiva ogni volta che c'è un confine a sud, che sia lo spigolo del tavolo o un muro o anche uno spazio tra due tavoli che vengono allontanati. Ecco quindi un modo in cui pensiamo che le cellule determinino dov'è l'animale mentre esplora i dintorni.
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.
Possiamo anche testare dove pensiamo siano gli oggetti, come questa bandierina, in ambienti semplici -- o naturalmente, dove si trova la vostra auto. Possiamo fare in modo che le persone esplorino l'ambiente e vedano il punto che devono ricordare. E poi, una volta rimesse nell'ambiente, generalmente sono abbastanza brave a identificare dove pensavano che fossero la bandierina o l'auto. Ma in alcuni esperimenti, si poteva cambiare la forma e la dimensione dell'ambiente come abbiamo fatto con le cellule di posizione.
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.
In quel caso, vediamo come cambi il punto in cui pensavano che fosse la bandierina in funzione di come si cambiano la forma e la dimensione dell'ambiente. E quello che vedete, per esempio, se la bandierina era dove c'era la croce in una piccola area quadrata, e chiedete alle persone dov'era, dopo avere ingrandito l'area, il punto in cui pensavano che fosse la bandierina si allarga esattamente nello stesso modo in cui si sono allargate le cellule di posizione. È come se ricordaste dov'era la bandierina immagazzinando il percorso di attivazione di tutte le cellule di posizione in quella posizione, per poi tornare indietro a quella posizione muovendovi così da far coincidere l'attuale percorso di attivazione delle cellule di posizione con quel percorso memorizzato. E questo vi riporta a quel punto che volete ricordare.
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.
Sappiamo anche dove siamo attraverso il movimento. Se imbocchiamo un percorso in uscita -- per esempio parcheggiamo e ci allontaniamo -- sappiamo grazie ai nostri movimenti, che possiamo integrare in questo percorso, pressapoco qual è la direzione giusta per tornare indietro. E le cellule di posizione prendono questi dati integrativi del percorso da un tipo di cellula detta cellula grid.
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.
Le cellule grid, ancora una volta, si trovano tra le informazioni dell'ippocampo, e sono un po' come le cellule di posizione. Ma ora, mentre la cavia esplora i dintorni, ogni singola cellula si attiva in tutta una serie di punti diversi sparsi in tutto l'ambiente in una meravigliosa griglia triangolare regolare. Se raccogliete informazioni da diverse cellule grid -- che vedete qui in diversi colori -- ognuna ha uno schema di attivazione a griglia in tutto l'ambiente, e ogni schema di attivazione delle cellule grid si sposta leggermente relazionandosi con le altre cellule. Quindi quella rossa su questa griglia e la verde su questa e la blu su questa.
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.
Tutte insieme: è come se la cavia potesse fare una griglia virtuale di luoghi di attivazione attraverso l'ambiente -- un po' come la latitudine e la longitudine di una mappa, ma utilizzando dei triangoli. E mentre si muove, l'attività elettrica può passare da una cellula a quella successiva per prendere nota di dove si trova, per poter usare i propri movimenti per sapere dov'è nell'ambiente.
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.
Le persone hanno le cellule grid? Siccome questi schemi di attivazione a griglia hanno lo stesso asse di simmetria, lo stesso orientamento della griglia, mostrato qui in arancione, significa che l'attività di rete di tutte le cellule grid in una particolare zona del cervello dovrebbe cambiare a seconda che scorriamo lungo queste sei direzioni o scorriamo tra l'una e l'altra di queste sei direzioni. Possiamo fare una risonanza magnetica e far giocare le persone a un piccolo videogioco come quello che vi ho mostrato e cercare questo segnale. E naturalmente, si vede nella corteccia entorinale umana, che è la stessa parte del cervello in cui si trovano le cellule grid delle cavie.
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.
Bene, torniamo a Homer. Probabilmente ricorda dov'era la macchina in termini di distanza e direzioni fino agli edifici e ai confini circostanti intorno al punto in cui ha parcheggiato. E questo viene rappresentato dall'attivazione di cellule per l'identificazione dei confini. Si ricorda anche il percorso che ha fatto nell'allontanarsi dalla macchina, rappresentato dall'attivazione delle cellule grid. Entrambi questi tipi di cellule fanno attivare le cellule di posizione. Egli può ritornare al posto dove ha parcheggiato muovendosi in modo da trovare dove l'attuale schema di attivazione delle cellule di posizione coincide maggiormente con lo schema memorizzato quando ha parcheggiato. E tutto questo lo guida verso quel punto a prescindere da riferimenti visivi o dal fatto che la sua auto sia effettivamente là. Magari gliel'hanno rimossa. Ma sa dov'era, quindi sa dove andare a riprenderla.
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.
Quindi oltre alla memoria spaziale, se osserviamo questo schema di attivazione a griglia in tutto il cervello, lo vediamo in tanti diversi punti che sono sempre attivi mentre facciamo qualunque tipo di attività di memorizzazione autobiografica come ricordare l'ultima volta che siamo stati a un matrimonio, per esempio. Potrebbe essere che i meccanismi neurali per la rappresentazione dello spazio circostante vengano anche usati per generare rappresentazioni visive tanto da poter ricreare scenari spaziali degli eventi che ci sono capitati quando li vogliamo immaginare.
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.
Quindi se succede questo, i vostri ricordi cominciano con l'attivazione delle cellule di posizione attraverso le dense interconnessioni e poi con la riattivazione delle cellule di confine per creare una struttura spaziale della scena intorno al vostro punto di vista. E le cellule grid possono spostare questo punto di vista nello spazio. Un altro tipo di cellule, le cellule di orientamento, che ancora non ho menzionato, si attivano come una bussola a seconda della direzione verso cui siete orientati. Riescono a definire la direzione della vista da cui volete generare un'immagine per le vostre immagini visive, potete immaginare, per esempio, cos'è successo quand'eravate al matrimonio.
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.
Questo è solo un esempio di una nuova era della neuroscienza cognitiva dove cominciamo a capire i processi psicologici come il ricordare o immaginare o perfino pensare alle azioni dei miliardi di singoli neuroni che formano il vostro cervello.
Thank you very much.
Grazie infinite.
(Applause)
(Applausi)