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.
Mums novietojot auto lielā stāvvietā, kā mēs atceramies, kur novietojām savu auto? Šī ir problēma, ar kuru saskaras Homērs. Mēs centīsimies saprast, kas notiek viņa smadzenēs.
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.
Tātad, sāksim ar hipokampa rajonu, attēlotu dzeltenā krāsā, kas ir atmiņas orgāns. Ja jums tur ir bojājums, kā piemēram Alcheimera slimības gadījumā, jūs nespējat atcerēties dažādas lietas, tostarp to, kur novietojāt auto. Tā nosaukums no latīņu valodas tulkojas kā „jūraszirdziņš”, ko tas vizuāli atgādina. Tāpat kā pārējās smadzenes to veido neironi.
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.
Cilvēka smadzenēs ir apmēram simts miljardi neironu. Tie sazinās viens ar otru, sūtot nelielus impulsus jeb elektrības „pīķus” cauri savstarpējiem savienojumiem. Hipokamps ir veidots no diviem šūnu slāņiem, kuri ir ļoti cieši savstarpēji savienoti. Zinātnieki ir sākuši saprast, kā darbojas telpiskā atmiņa, ierakstot atsevišķu neironu [impulsus] no žurkām vai pelēm, tām pētot apkārtni barības meklējumos.
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?"
Mēs iedomāsimies, ka ierakstām viena neirona [impulsus] šīs žurkas hipokampā. Tam raidot elektrisko impulsu, parādīsies sarkans punkts un būs dzirdams klikšķis. Mēs redzam, ka neirons zina, kad žurka ir nonākusi vienā konkrētā vietā. Tad tas signalizē pārējām smadzenēm, sūtot nelielu elektrisko impulsu. Mēs varam attēlot neirona raidīšanas biežumu kā dzīvnieka atrašanās vietas funkciju. Ja mēs ierakstītu datus no daudz un dažādiem neironiem, mēs redzētu, ka, dzīvniekam atrodoties dažādās vietās vidē, katrā vietā raida citi neironi, kā attēlots šajos kvadrātos. Kopā tie veido karti pārējām smadzenēm, nepārtraukti sakot smadzenēm: „Kur es pašlaik atrodos?”
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.
Dati par šo šūnu darbību tiek ierakstīti arī no cilvēku smadzenēm. Epilepsijas pacientiem reizēm nepieciešama smadzeņu elektriskās aktivitātes novērošana. Daži no pacientiem spēlēja datorspēli, kurā tiem bija jābraukā apkārt pa mazu pilsētiņu. Atrašanās vietas šūnas viņu hipokampos aktivizējās un sāka raidīt elektrisko impulsus, tiem braucot garām noteiktai vietai šajā pilsētiņā.
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.
Kā gan atrašanās vietas šūna zina, kur žurka vai cilvēks atrodas apkārtējā vidē? Šīs divas šūnas mums parāda, ka apkārtējās vides robežas ir īpaši nozīmīgas. Augšējā raida apmēram pusceļā starp kastes sienām, kurā atrodas žurka. Paplašinot kasti, paplašinās arī raidīšanas diapazons. Apakšējā savukārt raida tad, kad dienvidu pusē tuvumā atrodas siena. Ja kastē tiek ielikta starpsiena, šūna raida abās vietās pie dienvidu pusē esošas sienas dzīvniekam pārvietojoties pa kasti. Tas ļauj izteikt minējumu, ka apkārt esošo robežu attāluma un virziena sajušana ir īpaši svarīga hipokampam. Un tiešām hipokampa pievados ir atrodamas šūnas, kas raida hipokampā un atbild tieši par robežu vai malu noteikšanu noteiktā attālumā un virzienā no žurkas vai peles, tai pētot apkārtni. Šūna, ko redzat kreisajā pusē,
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.
raida impulsus, tiklīdz dzīvnieks nonāk tuvumā sienai vai robežai austrumu pusē, neatkarīgi no tā vai tā ir kastes siena vai stūris, vai pat vieta, kur iespējams nokrist no galda malas un kurai dzīvnieki skraida apkārt. no galda malas un kurai dzīvnieki skraida apkārt. Šūna labajā pusē raida impulsus, kad robeža atrodas dienvidu pusē, vienalga vai tā ir iespēja nokrist no galda malas, vai siena, vai pat sprauga starp diviem gandrīz blakus novietotiem galdiem. Tas ir viens no veidiem, kā mēs domājam, ka atrašanās vietas šūnas nosaka dzīvnieka atrašanās vietu, tam izzinot apkārtni.
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.
Mēs varam arī pārbaudīt, kur mūsuprāt vienkāršā vidē atrodas tādi objekti kā šis karodziņš vai arī, kur varētu atrasties jūsu auto. Mēs varam ļaut cilvēkiem izpētīt apkārtni un redzēt atrašanās vietu, ko tiem jāatceras. Pēc tam, atgriežot viņus atpakaļ šajā pašā apkārtnē kopumā viņiem veicas diezgan labi ar atzīmes novietošanu tajā vietā, kur, viņuprāt, atrodas šis karogs vai viņu auto. Taču atsevišķos mēģinājumos mēs varam izmainīt pētījuma vides formu un izmēru tāpat, kā mēs to darījām ar atrašanās vietas šūnām.
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.
Tādā gadījumā mēs redzam, kā tas, kur, viņuprāt, karogs ir atradies, izmainās kā funkcija atkarībā no tā, kā tiek mainīts apkārtējās vides izmērs un forma. Piemēram, tas, ko redzat gadījumā, ja karogs atrastos tur, kur kvadrātā atzīmēts krustiņš, un tad jūs pajautātu cilvēkiem, kur tas atradās, pēc tam, kad būtu palielinājuši iespējamo telpu, vieta, kur, viņuprāt, ir atradies karogs izstiepjas tieši tāda pašā veidā, kā atrašanās vietas šūnu raidīto impulsu apgabals. Tas darbojas it kā jūs atcerētos, kur atradās karogs, ierakstot atrašanās vietas šūnu konkrētajā vietā raidīto impulsu paraugu, un pēc tam varat atgriezties noteiktajā vietā pārvietojoties apkārtnē līdz brīdim, kad atrašanās vietas šūnu raidītie impulsi vislabāk sakrīt ar ierakstīto impulsu sistēmu. Tādā veidā jūs nonākat atpakaļ vēlamajā atrašanās vietā.
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.
Bet mēs zinām arī to, ka mēs kustamies. Ja mēs izvēlamies kādu tālāku ceļu, piemēram, novietojam auto un aizklīstam, balstoties uz mūsu kustībām, kuras mēs saskaņojam ar veicamo ceļu, tā rezultātā mēs apmēram zinām, kādā virzienā mums jādodas atpakaļ. Atrašanās vietas šūnas iegūst šo informācijas ievadi no šūnām, ko sauc par režģa šūnām.
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.
Režģa šūnas ir vienas no informācijas ievadītājām hipokampā, un tās ir mazliet līdzīgas atrašanās vietas šūnām. Žurkai pētot apkārtni, katra noteikta šūna raida impulsu veselā virknē dažādu atrašanās vietu, kuras izvietotas telpā pārsteidzoši trīsstūrveidīgā režģī. Ierakstot impulsus no dažādām režģa šūnām, kas šeit attēlotas dažādās krāsās, katra no tām veido režģveidīgu raidīšanas sistēmu, un katras šūnas raidīšana ir nedaudz nobīdīta attiecībā pret pārējām šūnām. Sarkanās raida šajā režģī, zaļās šajā un zilās šajā.
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.
Kopumā var teikt, ka žurka var nospraust virtuālu impulsu raidīšanas režģi vidē, kurā tā atrodas, kā garuma un platuma līnijas kartēs, tikai trīsstūrveida. Tai pārvietojoties, elektriskais impulss var pāriet no vienas šī veida šūnas uz nākamo, lai izsekotu atrašanās vietai. Tādējādi kustēšanās var tikt izmantota, lai zinātu savu atrašanās vietu apkārtnē.
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.
Vai cilvēkiem ir režģa šūnas? Tā kā visām režģveidīgajām impulsu sistēmām ir tās pašas simetrijas asis, tie paši režģa virzieni, šeit iekrāsoti oranži, tas nozīmē to, ka visu režģa šūnu kopējai aktivitātei vienā noteiktā smadzeņu daļā vajadzētu mainīties atkarībā no tā, vai mēs dodamies kādā no šiem sešiem virzieniem, vai vienā no sešiem starpvirzieniem. Mēs varam ielikt cilvēku magnētiskās rezonanses skenerī un iedot paspēlēt vienkāršu, iepriekš redzēto datorspēli un meklēt šos signālus. Patiesi tos var redzēt cilvēka smadzeņu entorhinālajā garozā, kas ir tā pati smadzeņu daļa, kurā žurkām atrodas režģa šūnas.
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.
Atgriežamies pie Homēra. Viņš iespējams atceras sava auto atrašanās vietu kā virzienus un attālumus līdz dažādām celtnēm un robežām auto novietojuma apkārtnē. Tas var tikt attēlots kā robežu nosakošo šūnu impulsu raidījums. Vēl viņš atceļas ceļu, pa kuru devās projām no auto novietnes. Tas var tikt attēlots kā režģa šūnu impulsu raidījums. Abu šo veidu šūnas var likt atrašanās vietas šūnām raidīt impulsus. Un viņš var atgriezties vietā, kur novietots auto, pārvietojoties, meklējot vietu, kurā raidītie impulsi vislabāk sakrīt ar atmiņā esošajiem impulsiem no vietas, kur tika atstāts auto. Tādā veidā viņš nonāk atpakaļ pie īstās vietas neatkarīgi no vizuālajiem mājieniem, kā tie, vai viņa auto tur patiešām atrodas. Iespējams tas ir aizvilkts. Taču viņš zina, kur tā bija un kā līdz tai aiziet.
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.
Ārpus telpiskās atmiņas, ja mēs meklējam šo režģveidīgo impulsu raidīšanas sistēmu visās smadzenēs, mēs varam to atrast veselā virknē vietu, kuras vienmēr ir aktīvas pildot dažāda veida autobiogrāfiskus atmiņas uzdevumus, piemēram, mēģinot atcerēties, kad pēdējoreiz devāmies uz kāzām. Tātad iespējams, ka apkārtējās telpas attēlošanā izmantotie mehānismi tiek izmantoti arī vizuālo attēlu ģenerēšanai, lai mēs varētu atveidot no jauna telpisku ainu ar mums notikušajiem notikumiem, mums vēloties tos atcerēties.
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.
Ja tā būtu, jūsu atmiņas sāktos ar vienai otru cauri savstarpējiem savienojumiem aktivizējošām vietas šūnām un tad no jauna aktivizējošām robežu šūnām, lai izveidotu vietas telpisko struktūru attiecībā pret jūsu skatupunktu. Režģa šūnas varētu pārvietot šo skatupunktu telpā. Vēl cita veida šūnas – galvas virziena šūnas -, kuras es vēl netiku pieminējis, raida impulsus līdzīgi kā kompass atkarībā kādā virzienā cilvēks skatās. Šīs šūnas varētu noteikt skatiena virzienu, no kura vēlaties radīt attēlu savam vizuālajam attēlojumam, lai, piemēram, varētu iedomāties, kas notika šajās kāzās jums tur esot.
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.
Šis ir tikai viens piemērs patiesi jaunai ērai kognitīvajā neirozinātnē, mums sākot izprast psiholoģiskos procesus, piemēram, to kā jūs atceraties vai iztēlojaties vai pat domājat attiecībā uz mūsu smadzenes veidojošo miljardu atsevišķu neironu darbībām.
Thank you very much.
Liels paldies.
(Applause)
(Aplausi)