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.
Wanneer we parkeren op een grote parkeerplaats, hoe onthouden we dan waar onze auto staat? Dat is het probleem van Homer. We gaan proberen te begrijpen wat er gebeurt in zijn hersenen.
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.
We beginnen met de hippocampus (geel), het geheugenorgaan. Als hij beschadigd raakt zoals bij de ziekte van Alzheimer, weet je niet meer waar je je auto hebt geparkeerd. Hippocampus is Latijn voor ‘zeepaardje’, waarop hij lijkt. Hij bestaat, net als de rest van de hersenen, uit neuronen.
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.
De hersenen bevatten ongeveer honderd miljard neuronen. De neuronen praten met elkaar door het sturen van kleine pulsen of stroompiekjes via onderlinge verbindingen. De hippocampus bestaat uit twee zeer dicht verbonden cellagen. Wetenschappers beginnen te begrijpen hoe het ruimtelijk geheugen werkt door de signalen van individuele neuronen bij ratten of muizen op te nemen terwijl ze foerageren of een omgeving verkennen op zoek naar voedsel.
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?"
Stel je voor dat we de signalen van één neuron in de hippocampus van deze rat hier gaan registreren. Telkens het een stroompuls afgeeft, zien we een rode stip verschijnen en horen we een klik. Dat neuron herkent het als de rat op een bepaalde plaats in de omgeving terechtkomt. En signaleert dat aan de rest van de hersenen door het sturen van een kleine elektrische puls. We konden een verband leggen tussen de pulsfrequentie van dat neuron en de plaats van het dier. Als we zo meerdere neuronen volgen, zien we dat verschillende neuronen vuren voor verschillende plaatsen in zijn omgeving, zoals in dit vierkant wordt getoond. Samen vormen ze een kaart voor de rest van de hersenen door de hersenen voortdurend te vertellen: "Waar zit ik nu in mijn omgeving?"
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.
Ook bij de mens kunnen plaatscellen zo worden gevolgd. Voor patiënten met epilepsie is het soms nodig dat de elektrische activiteit van hun hersenen wordt geregistreerd. Sommige patiënten speelden een videospelletje waarbij ze rondreden in een kleine stad. Plaatscellen in hun hippocampus vuurden, werden actief, begonnen elektrische impulsen te verzenden wanneer ze een bepaalde locatie in die stad passeerden.
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.
Hoe weet een plaatscel waar de rat of de persoon zich in zijn omgeving bevindt? Deze twee cellen hier laten ons zien dat vooral de grenzen in de omgeving belangrijk zijn. De cel aan de bovenkant vuurt vooral halverwege tussen de wanden van de ruimte waarin de rat zich bevindt. Als je de ruimte groter maakt, gebeurt hetzelfde met de vuurlocatie. Die hieronder vuurt vooral bij een wand aan de zuidkant. Als je nog een wand in de doos aanbrengt, vuurt de cel op beide plaatsen telkens ze in de ruimte een zuidelijke wand tegenkomt. Dit toont aan dat het om je heen aftasten van de afstanden en richtingen van de grenzen - grotere gebouwen en ga zo maar door - heel belangrijk is voor de hippocampus. Inderdaad bevinden zich aan de ingangen naar de hippocampus cellen die doorlopen in de hippocampus. Ze reageren net bij het detecteren van grenzen of randen op bepaalde afstanden en richtingen van de rat of de muis die bezig is met verkennen.
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.
De cel aan de linkerkant, je kan het zien, vuurt wanneer het dier in de buurt van een wand of grens in het oosten komt, of het nu de rand of wand is van een vierkant of de ronde wand van een cirkel of zelfs de rand van een tafel, waarop de dieren rondrennen. De cel aan de rechterkant vuurt bij een zuidelijke grens, of dat nu de rand van een tafel, een wand of de opening tussen twee uit elkaar geschoven tafels is. We denken dat plaatscellen zo bepalen waar het dier zich bevindt als het bezig is met verkennen.
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.
Zo kunnen we ook testen waar we denken dat objecten zoals deze vlag zich bevinden in eenvoudige omgevingen - of waar je auto zou zijn. We kunnen mensen een omgeving laten verkennen en de locatie die ze moeten onthouden, laten zien. Terug in de omgeving weten ze over het algemeen heel goed de plaats waar ze dachten dat de vlag of hun auto was, terug te vinden. Bij sommige proeven veranderden we de vorm en de afmetingen van de omgeving zoals we dat deden met de plaatscel.
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 dat geval kunnen we zien hoe hun idee over waar de vlag zich bevond, verandert in functie van hoe je de vorm en de grootte van de omgeving veranderde. Zo kan je bijvoorbeeld zien dat als de vlag stond waar dat kruis was in een klein vierkant, en je de mensen vraagt waar ze was, maar je hebt de omgeving vergroot, dan breidt de plaats waar ze denken dat de vlag was op dezelfde wijze uit als dat het afvuren van de plaatscel zich uitbreidde. Het lijkt alsof je weet waar de vlag was door het opslaan van het patroon van het vuren van alle plaatscellen op die locatie, en dan kun je terug die locatie terugvinden door rond te bewegen om de beste overeenstemming te te vinden tussen het huidige patroon van afvuren van je plaatscellen met dat opgeslagen patroon. Dat leidt je terug naar de locatie die je wilt onthouden.
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.
Maar we weten ook waar we zijn door middel van beweging. Als we naar een uitgang gaan - misschien parkeren we en wandelen weg - dan weten we, omdat we onze eigen bewegingen over dit pad kunnen integreren, wat ongeveer de terugweg is. Ook de plaatscellen krijgen deze pad-integratieinput van een zogenaamde rastercel.
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.
Nu worden rastercellen ook aangetroffen aan de ingangen van de hippocampus. Ze zijn een beetje als plaatscellen. Maar als de rat nu op verkenning gaat, vuurt elke individuele cel op een hele reeks verschillende locaties die over de omgeving een verbazingwekkend regelmatig driehoekig raster leggen. Als je de signalen registreert van meerdere rastercellen - hier in verschillende kleuren - legt elk een rasterachtig vuurpatroon over de omgeving, en is het rasterachtige vuurpatroon van elke cel iets verschoven ten opzichte van de andere cellen. De rode vuren op dit raster, de groene op dit en de blauwe op dit.
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.
Tesamen is het alsof de rat een virtueel raster van vuurlocaties over zijn omgeving kan leggen - een beetje zoals de lengte- en breedtegraadlijnen op een landkaart, maar dan met driehoeken. Bij het rond bewegen, kan de elektrische activiteit van de ene cel naar de andere overgaan om bij te houden waar ze is. Ze kan dus haar eigen bewegingen gebruiken om te weten waar ze is.
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.
Hebben mensen rastercellen? Omdat alle rasterachtige vuurpatronen dezelfde symmetrieassen hebben, dezelfde rasteroriëntaties, hier weergegeven in oranje, betekent dit dat de netactiviteit van alle rastercellen in een bepaald deel van de hersenen zou moeten veranderen al naar gelang we langs deze zes richtingen of langs een van de zes tussenrichtingen lopen. We kunnen mensen in een MRI-scanner zetten en ze een beetje laten videogamen, zoals diegene die ik liet zien, en naar dit signaal zoeken. En inderdaad zie je dat in de menselijke entorinale cortex; dat is hetzelfde deel van de hersenen waar je die rastercellen ziet bij ratten.
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.
Terug naar Homer. Hij onthoudt waarschijnlijk waar zijn auto staat in termen van afstanden en richtingen naar grotere gebouwen en begrenzingen rond de locatie waar hij geparkeerd staat. Dat zou worden vertegenwoordigd door het vuren van grensopsporende cellen. Hij weet ook nog welke route hij volgde bij het verlaten van de parkeerplaats, wat dan vertegenwoordigd zou worden door het afvuren van de rastercellen. Beide soorten cellen kunnen de plaatscellen laten vuren. Hij kan terugkeren naar de plaats waar hij parkeerde door zo te bewegen dat hij de plaats vindt waar het vuurpatroon van de plaatscellen in zijn hersenen het best overeenkomt met het opgeslagen patroon toen hij zijn auto parkeerde. Dat leidt hem terug naar die locatie ongeacht de visuele signalen of zijn auto daar wel staat. Misschien is hij al weggesleept. Maar hij weet waar het was, dus weet hij de plaats te vinden.
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.
Maar ook verder dan het ruimtelijk geheugen, als we zoeken naar dit rasterachtige vuurpatroon doorheen de gehele hersenen, zien we het op een hele reeks locaties die altijd actief zijn als we autobiografische geheugentaken uitvoeren, zoals je bijvoorbeeld herinneren wanneer je laatst naar een bruiloft ging. Het zou kunnen dat de neurale mechanismen om de ruimte om ons heen weer te geven ook voor het genereren van visuele beelden worden gebruikt, zodat wij de ruimtelijke scène van eerdere gebeurtenissen opnieuw kunnen oproepen.
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.
Als dit zo was, konden je herinneringen opkomen doordat plaatscellen elkaar via deze dichte verbindingen activeerden, en daarna de grenscellen, om de ruimtelijke structuur van de scène rond je standpunt terug op te roepen. Rastercellen bewegen dan dit standpunt door die ruimte. Een andere soort cellen, hoofdrichtingcellen, die ik nog niet noemde, werken als een kompas voor welke kant je opgaat. Ze zouden de kijkrichting kunnen bepalen waarvoor je visuele beelden wil genereren, zodat je je kunt voorstellen wat er gebeurde toen je, bijvoorbeeld, op dit huwelijk was.
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.
Dit is slechts één voorbeeld van een nieuw tijdperk in de cognitieve neurowetenschappen waar we psychologische processen beginnen te begrijpen zoals hoe je je iets herinnert of voorstelt of zelfs denkt in termen van de acties van de miljarden van individuele neuronen die deel uitmaken van onze hersenen.
Thank you very much.
Heel hartelijk bedankt.
(Applause)
(Applaus)