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.
Kiedy parkujemy na dużym parkingu, jak pamiętamy gdzie zostawiliśmy samochód? Homer stanął przed tym problemem. Spróbujemy zrozumieć co dzieje się w jego mózgu.
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.
Zaczniemy od hipokampu, w kolorze żółtym, który jest organem pamięci. Jeśli jest uszkodzony, jak przy Alzheimerze, nie pamięta się rzeczy takich jak miejsce zaparkowania auta. Po łacinie to konik morski, którego przypomina. Jak pozostałe części mózgu, budują go neurony.
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.
W ludzkim mózgu istnieją setki miliardów neuronów. Neurony komunikują się ze sobą wysyłając niewielkie impulsy elektryczne przez wspólne połączenia. Hipokamp składa się z dwóch warstw komórek, bardzo gęsto połączonych ze sobą. Naukowcy zaczęli rozumieć jak działa pamięć przestrzenna, rejestrując pojedyncze neurony u szczurów i myszy, gdy eksplorują dane środowisko w poszukiwaniu jedzenia.
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?"
Wyobraźmy sobie, że rejestrujemy działanie pojedynczego neuronu w hipokampie tego szczura. Gdy wystrzeliwuje impuls elektyczny, zobaczymy czerwoną kropkę i usłyszymy dźwięk. Zobaczymy, że neuron wie, Zobaczymy, że neuron wie, że szczur przemieszcza się do konkretnego miejsca. Sygnalizuje to reszcie mózgu, wysyłając mały impuls elektryczny. Możemy przedstawić częstotliwość wystrzałów jako funkcję lokalizacji zwierzęcia. Jeśli zarejestrujemy wiele innych neuronów, zauważymy że wystrzeliwują, gdy zwierzę podąża w inne miejsca w otoczeniu, jak przedstawione tu pudełko. Razem tworzą mapę dla reszty mózgu, powtarzając mu "Gdzie znajduję się teraz w moim otoczeniu"?
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.
Komórki miejsca zaobserwowano też u ludzi. Pacjenci z epilepsją czasem potrzebują stymulacji elektrycznej podczas monitorowania mózgu. Niektórzy z nich grali w grę video, w której jeździli po miasteczku. Komórki miejsca w ich hipokampie wystrzeliwały, wysyłając impulsy elektryczne, gdy przejeżdżali przez określone lokacje w mieście.
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.
Jak komórka miejsca wie, gdzie w swoim otoczeniu znajduje się szczur lub człowiek? Widoczne tu dwie komórki wskazują, że granice otoczenia są szczególnie istotne. Komórka widoczna u góry wystrzeliwuje blisko środka pudełka, w którym znajduje się szczur. Gdy rozszerzymy pudełko, obszar wystrzału też się rozszerza. Komórka na dole wystrzeliwuje, kiedy blisko na południu jest ściana. Jeśli w pudełku umieścimy dodatkową ścianę, komórka wystrzeliwuje w obu częściach, gdziekolwiek mamy ścianę na południu, którą napotka zwierzę, poruszając się po pudełku. To pokazuje, że wyczuwanie dystansu i kierunku, jak w dużym budynku, jest szczególnie istotne dla hipokampu. Istotnie u wejść do hipokampu odnajdujemy komórki oddziałujące na niego, odpowiadające dokładnie na wykrywanie granic i krawędzi, w ramach dystansów i kierunków obieranych przez gryzonie, gdy eksplorują obszar.
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.
Komórka, którą widać po lewej wystrzeliwuje, gdy zwierzę zbliża się do ściany lub granicy na wschodzie, zarówno jeśli jest to ściana kwadratowego pudełka, jak i okrągłego, czy nawet krawędź stołu, po którym zwierzęta biegają. Komórka po prawej wystrzeliwuje, gdy granica jest na południu, gdy jest to krawędź stołu lub ściana, czy nawet przerwa między stołami. To jeden ze sposobów na pojęcie tego jak komórki miejsca wyznaczają, gdzie znajduje się zwierzę.
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.
Możemy też przetestować skąd wiemy, gdzie znajdują się przedmioty, jak ta flaga, w prostym otoczeniu, lub gdzie szukać swojego samochodu. Badani mogą eksplorować otoczenie i zapamiętywać oglądane lokacje. Jeśli potem umieścimy ich znów w tym otoczeniu dość sprawnie oznaczają miejsca, w których myśleli, że znajduje się flaga lub auto. Jednak w niektórych badaniach możemy zmieniać kształt i rozmiar otoczenia, jak było to w przypadku komórki miejsca.
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.
W tym wypadku widzimy, jak zmienia się domniemana przez nich lokalizacja flagi, w zależności od zmian w kształcie i rozmiarach otoczenia. Tu na przykład widzimy, że jeśli flaga była w miejscu krzyżyka w małym, kwadratowym otoczeniu i jeśli spytamy ludzi gdzie się znajdowała, ale powiększymy otoczenie, obszar, w którym myślą, że flaga się znajdowała rozszerza się dokładnie tak samo, jak wzór zasięgu wystrzałów komórek miejsca. To tak jakbyśmy pamiętali, gdzie była flaga dzięki rejestrowaniu wzorca wystrzałów wszystkich komórek miejsca w tej lokacji, dzięki rejestrowaniu wzorca wystrzałów wszystkich komórek miejsca w tej lokacji, do której możemy powrócić, dzięki poruszaniu się wokół, aby najlepiej dopasować bieżący wzorzec wystrzałów do tego zapamiętanego. To prowadzi nas z powrotem do lokalizacji, którą chcemy zapamiętać.
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.
Dzięki poruszaniu się wiemy, gdzie się znajdujemy. Jeśli pójdziemy ścieżką wyjściową - jak wtedy, gdy parkujemy i odchodzimy - którą znamy dzięki poruszaniu się - to na podstawie tej ścieżki możemy z grubsza wyznaczyć powrotną drogę. Komórki miejsca również otrzymują podobne dane, dzięki komórkom siatkowym.
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.
Komórki te znajdują się u wejść do hipokampu, są nieco podobne do komórek miejsca. Jednak w tym przypadku każda komórka szczura wystrzeliwuje w szereg różnych miejsc, rozłożonych w otoczeniu w zadziwiająco regularną trójkątną siatkę. Jeśli zarejestrujemy kilka komórek siatkowych - pokazanych tu w różnych kolorach - każda z nich wystrzeliwując, tworzy siatkowaty wzór, a każdy z tych wzorów zmienia się lekko relatywnie do pozostałych komórek. Czerwona wystrzeliwuje na tę siatkę, zielona na tę, a niebieska na tamtą.
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.
Wygląda to tak, jakby szczur nakładał siatkę "wystrzeliwanych" lokacji w swoim otoczeniu - to coś, jak długość i szerokość geograficzna na mapie, ale z użyciem trójkątów. Kiedy się porusza, ma miejsce przewodzenie elektryczne między jedną a drugą komórką, aby wiedział, gdzie się znajduje, aby dzięki własnemu ruchowi znał swoją pozycję w otoczeniu.
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.
Czy ludzie mają komórki siatkowe? Ponieważ wszystkie wzorce siatkowe mają taką samą oś symetrii, takie samo położenie, co widać tu na pomarańczowo, oznacza to, że aktywność wszystkich komórek siatkowych w danej części mózgu powinna zmieniać się w zależności, czy poruszamy się w tych sześciu kierunkach, czy w ramach jednego z nich, pomiędzy sześcioma kierunkami. Wykonując rezonans magnetyczny i pozwalając komuś zagrać w grę video, którą widzieliście wcześniej, możemy szukać sygnału. Znajdziemy go w ludzkiej korze śródwęchowej, która jest analogiczna do części z komórkami siatkowymi u szczura.
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.
Wracając do Homera. Zapewne pamięta gdzie zostawił auto w oparciu o dystanse i kierunki w odniesieniu do budynków i granic w okolicy, w której zaparkował. Widać to na podstawie wystrzeliwania przez komórki graniczne. Zapamiętał też ścieżkę prowadzącą z parkingu, którą obrazują wystrzały komórek siatkowych. Oba te rodzaje komórek mogą powodować wystrzeliwanie przez komórki miejsca. Może powrócić do miejsca, gdzie zaparkował poruszając się tak, żeby odnaleźć wzorzec wystrzeliwania przez komórki miejsca najbardziej podobny wzorzec wystrzeliwania przez komórki miejsca najbardziej podobny do tego, jaki zarejestrował jego mózg, gdy parkował auto. W ten sposób trafia w to miejsce, niezależnie od przesłanek wzrokowych, jak ta, czy samochód faktycznie tam jest. Może go odholowali. Ale on wie gdzie to było, więc wie też żeby tam się udać.
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.
Poza pojęciem pamięci przestrzennej, jeśli spojrzymy na wzorce siatkowe w całym mózgu, zobaczymy że znajdują się w wielu miejscach, które są zawsze aktywne, kiedy uruchamiamy pamięć autobiograficzną, jak na przykład pamiętanie, kiedy ostatnio poszliśmy na ślub. Być może mechanizmy neuronalne pozwalające odwzorować przestrzeń wokół nas, odpowiadają też za myślowe obrazowanie, abyśmy mogli odtworzyć przestrzenny obraz wydarzeń, w których uczestniczyliśmy.
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.
Jeśli tak się dzieje, pamięć może być uruchamiana przez aktywujące się komórki miejsca poprzez ścisłe wzajemne połączenia, a potem przez reaktywację komórek granicznych, aby stworzyć przestrzenną strukturę sceny w zasięgu naszego widzenia. Komórki siatkowe mogą przemieszczać ten punkt widzenia. Inny rodzaj - komórki kierunku głowy, o których jeszcze nie mówiłem, działają jak kompas, w zależności w którą stronę patrzymy. Mogą określić kierunek patrzenia, dla którego generujemy obraz w naszych myślach, aby wyobrazić sobie co działo się, gdy byliśmy na wspomnianym ślubie.
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.
To tylko jeden ze zwiastunów nowej ery w kognitywnej neurobiologii, gdy zaczynamy rozumieć procesy psychologiczne, jak pamięć, wyobraźnia czy nawet myślenie przez pryzmat aktywności miliardów pojedynczych neuronów budujących nasze mózgi.
Thank you very much.
Dziękuję bardzo.
(Applause)
(brawa)