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.
아주 큰 주차장에 차를 주차할 때, 차를 어디에 세워 두었는지 어떻게 기억할까요? 여기 호머에게 닥친 문제가 있습니다. 호머의 머리속에서 무슨 일이 일어나는지를 알아보도록 하겠습니다.
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.
노란색으로 표시된 기억을 담당하는 기관인 측두엽의 해마에서 시작해보죠. 알츠하이머 병처럼 이 부분을 손상입게 된다면, 여러분이 차를 주차한 위치를 포함해서 아무것도 기억 할 수 없습니다. 생긴모양도 비슷해서 "해마"라는 라틴어에서 따온 이름이 붙었습니다. 다른 뇌조직 처럼 뉴런으로 이루어져 있습니다.
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.
인간의 뇌에는 대략 수십억개의 뉴런이 있습니다. 뉴런들은 각자의 연결점을 통해 미세한 전기자극을 보내는 방법으로 각각이 상호 작용을 합니다. 이 해마는 아주 밀접하게 연결되어 있는 두장의 세포들로 이루어져 있습니다. 과학자들은 먹이를 찾아서 돌아다니거나 헤매는 쥐들의 뇌속 뉴런들을 기록함으로써 공간기억이 어떻게 작동하는지 알게되었습니다.
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?"
여기 생쥐의 해마속 뉴런 한개를 계속 기록한다고 생각해보죠. 그 뉴런이 미세한 전기자극을 일으킬 때, 빨간점이 하나 생기고 클릭 소리가 납니다. 우리가 알수 있는것은 이 뉴런은 쥐가 어디를 가는지 알고 있다는거죠. 그리고 이 뉴런은 미세한 전기자극을 나머지 다른 뇌의 기관으로 보냅니다. 그래서 이 실험쥐의 위치를 뉴런의 작동 발생 비율로 보여 드릴 수 있습니다. 다른 많은 뉴런들의 자극을 기록해보면, 쥐가 여기 보는것 처럼 사각형 상자와 같은 다른 환경의 장소로 옮기면 다른 많은 뉴런들이 작동 한다는 것을 볼 수 있습니다. 그래서 뉴런들이 함께 지도를 만들게 되고, 뇌에 지속적으로 말을하게 되죠. "이 환경에서 지금 내가 어디에 있는거지?"
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.
장소 세포들도 몸안에서 기록됩니다. 그래서 간질환자들의 뇌 검사하기 위해 간혹 전기적인 방법을 사용하기도 합니다. 이런 환자들중 일부는 작은 도시를 운전하고 돌아다니는 비디오 게임을 해보기도합니다. 환자들의 해마속에 장소 세포가 작동하여 활성화되고, 그 도시의 특정 장소를 지날 때마다 전기적인 자극을 보내기 시작합니다.
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.
그럼 장소 세포는 쥐나 환자가 자신이 속한 환경에서 어디에 있는지를 어떻게 인지 하는 것 일까요? 여기 두개의 세포가 이 환경의 경계선이 특히 중요하다는 것을 보여주고 있습니다. 위쪽에 있는 이부분은 쥐가 있던 상자의 벽 사이 중간지점에서 작동합니다. 상자를 늘리면, 작동 지점도 늘어납니다. 밑에 있는것은 남쪽 아래 가까운 벽으로 움직일 때마다 작동합니다. 이 상자안에 다른 벽을 하나 세우면, 쥐가 이 상자안을 돌아다니다가 남쪽 아래 벽에 갈때마다 세포가 작동하게 됩니다. 이 현상은 거리와 주변 경계선의 방향은 -- 확장된 건물 등에서 - 해마에게 매우 중요하다는 것을 말합니다. 실제로, 해마에 들어가는 입력정보들 중에서, 쥐가 여기저기 돌아다닐때 어떤 부분이 담당하고 어떤 부분이 거리나 방향에 대해 경계선과 가장자리를 탐지하게되는지의 정보가 발견되었습니다.
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.
왼쪽의 세포에서 볼 수 있듯이, 동쪽의 벽이나 경계선에 가까이 갈때마다, 이것이 상자의 경계나 벽인지, 또는 둥근 상자의 벽이나 쥐가 돌아다니던 테이블의 끝자락인지 탐지하려고 세포가 작동합니다. 오른쪽의 세포는 남쪽 경계로 갈때마다 작동하는데요, 이부분이 테이블이나 벽의 끝인지, 끌어당겨놓은 테이블 사이의 간격인지를 탐지합니다. 이런것들이 장소 세포가 쥐가 돌아다닐때 자신이 어디에 있는지를 인지하는 하나의 방법입니다.
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.
아주 단순한 환경에서 이 깃발처럼 사물들이 어디에 있는지를 인지하는 실험도 할 수 있습니다. -- 아니면 여러분의 자동차가 될 수도 있구요 -- 이런 공간을 돌아다니는 사람이 있다고 하고, 이 사람이 기억해야하는 위치를 봅니다. 그리고나서 사람을 다시 이 환경에 가져다 놓으면, 깃발이나 자신의 자동차가 있었다고 생각하는 장소에 일반적으로 표시를 잘 하게됩니다. 하지만 다른 실험에서는, 장소 세포를 가지고 했던 것 처럼 공간의 형태나 크기를 바꾸어 보았습니다.
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.
이 경우에, 사람들이 깃발의 위치가 어디로 바뀌었는지를 어떻게 생각하는지 알 수 있습니다. 예를들어, 깃발이 작은 사각형안에 엑스표가 있는곳에 있고, 깃발이 어디에 있었는지 물어본다면, 하지만 이 장소를 더 크게 확대했죠, 사람들은 깃발이 장소 세포가 늘린것과 같은 방법으로 깃발이 늘어난곳에 있다고 생각합니다. 이건 마치 그 위치에서 장소 세포가 작동하는 모든 패턴을 저장하여 깃발의 위치를 기억하는 것과 같습니다. 그리고 돌아다니다가 그 지점으로 다시 복귀하는데, 이는 이미 저장된 패턴과 장소 세포가 작동하는 현재의 패턴을 매칭하기 때문이죠. 이런 방법이 기억하고 싶은 위치로 돌아 갈 수 있게 합니다.
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.
하지만 움직임을 통해서도 우리가 어디에 있는지를 알게됩니다. 외부에 나가는 경로는 생각해보면, -- 아마도 주차를 하거나 그냥 배회하는 경우죠 -- 우리가 움직이는 경로이기 때문에, 진행하는 방향으로 돌아도록 대략 합칠 수 있습니다. 그리고 장소 세포들은 격자 세포라고 불리는 세포들로부터 경로에 대한 통합 입력 정보를 얻습니다.
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.
격자 세포는 해마의 입력 정보에 있구요, 장소 세포와 약간 비슷합니다. 하지만 쥐가 여기저기 돌아다니면서, 각각의 개별 세포가 놀랍게도 유사한 삼각 격자형태의 배열 모양을 가지고 작동하게 됩니다. 몇개의 격자 세포들을 기록해보면, -- 다른 색깔로 보이게 해보죠 -- 각 세포들은 이 환경안에서 격자 모양의 작동 패턴을 가집니다. 그리고 각 세포의 격자 모양 작동 패턴은 다른 세포들에 비해 조금 이동하게 됩니다. 그래서 이 격자에서는 빨간색이 작동하고, 여기서는 녹색이, 그리고 이곳에서는 파란색입니다.
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.
이것은 마치 쥐가 가상의 작동 위치에 대한 격자를 이 환경에 그린 것 같습니다. -- 지도상의 위도와 경도와 조금 유사하죠. -- 삼각형을 사용한것만 빼구요. 쥐가 움직이면서, 전기적인 자극이 쥐가 어디에 있는지 한 세포에서 다른 세포로 전달하게 됩니다. 따라서 쥐들은 자신의 움직임 때문에 이 환경에서 어디에 위치하는지를 알게 됩니다.
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.
사람이 격자 세포를 가지고 있을 까요? 격자 모양 작동 패턴들은 같은 대칭축과 오렌지 색으로 보이는 같은 격자 방향을 가지고 있습니다. 뇌의 특별한 부분에 있는 격자세포의 이런 행동들은 이렇게 6개의 방향으로 움직이는지, 아니면 6개의 방향중 한 방향으로만 움직이는지에 따라서 바꿔야만 한다는것을 의미합니다. 그래서 사람을 MRI 검사기에 올려놓고 제가 보여드렸던 그런 비디오 게임을 하게하고, 이 신호를 찾아봅니다. 이 세포는 사람의 대뇌피질에서도 볼 수 있는데요, 쥐의 뇌에서 봤던 격자 세포와 같은 부분입니다.
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.
그럼 호머 이야기로 돌아가서요. 호머는 어디에 주차를 했었는지를 주차했던 위치 주변의 확장된 건물과 경계선의 거리와 방향을 가지고 기억하고 있을 겁니다. 그 기억은 경계 탐지 세포가 작동하여 그려질 것입니다. 또한 격자 세포들이 작동하여 주차장에서 빠져나가는 경로를 기억할 것입니다. 이런 두종류의 세포들이 장소 세포들이 작동하도록 만들죠. 그리고 호머는 이전에 주차했던 저장된 패턴과 현재 머리 속에서 작동하는 장소 세포들의 패턴중 가장 잘 맞는 패턴을 찾아서 주차한 위치로 돌아 갈 수 있게 되는것이죠. 이런 방식이 시각적인 신호에 관계없이 호머를 주차위치로 돌아가게 도와 주는것이죠. 아마 그냥 끌고 나올 수 도 있겠죠. 하지만 호머는 어디에 차가 있는지 알고 가서 가져옵니다.
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.
공간 기억을 넘어서, 전체 뇌를 통해 격자 모양의 작동 패턴을 찾아보면, 예를들어, 지난번에 갔었던 예식장을 기억하는것 처럼 자신 기억속에 있는 모든 일들을 기억해 낼때 활성화되는 일련의 위치들에서 찾아 볼 수 있습니다. 우리 주변의 공간을 표시하는 신경 메커니즘은 시각적인 형상을 생성하는데 사용되는데요, 그래서 우리는 상상할 때 우리에게 발생하는 공간 장면을 다시 만들어 낼 수 있습니다.
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.
그래서 이런 현상이 일어나면, 여러분의 기억들은 밀접하게 연결된 장소 세포들이 서로 활성화해주어 기억이 시작되고 여러분의 시야에 들어오는 장면들의 공간구조를 만들기 위해 경계 세포들을 재 활성화 하는것 입니다. 그리고 격자 세포들이 공간을 통해서 시야를 움직이죠. 아직 언급하지 않는 또다른 세포인, 직진 방향 세포는 사람이 마주치게 되는 방법에 의해 나침반 처럼 작동합니다. 이 세포들은 시각적인 형상화에서 하나의 이미지를 생성하는 것에서 시야의 방향을 정의합니다. 그래서 예를들어, 이 결혼식을 참석했을 때 무슨일이 있었는지 상상할 수 있습니다.
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.
이것이 우리의 뇌를 이루고 있는 수십억개의 뉴런들의 작용에서 사람이 어떻게 기억하는지, 또는 상상하고, 사고하는가 처럼 심리적인 과정을 이해하기 시작한 인지 신경과학의 한가지 예입니다.
Thank you very much.
대단히 감사합니다.
(Applause)
(박수)