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 estacionamos num grande parque, como é que nos lembramos onde estacionámos o carro? É o problema que Homer enfrenta. Vamos tentar compreender o que está a acontecer no cérebro dele.
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.
Vamos começar pelo hipocampo, mostrado a amarelo, que é o órgão da memória. Se têm danos ali, como em Alzheimer, não se lembram de coisas como onde estacionaram o carro. O nome vem do latim para "cavalo-marinho," ao qual se assemelha. Como o resto do cérebro, é constituído por neurónios.
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.
O cérebro humano tem cerca de cem mil milhões de neurónios. Os neurónios comunicam uns com os outros enviando pequenos impulsos ou picos de energia através de ligações entre si. O hipocampo é formado por dois camadas de células, que estão densamente interligadas. Os cientistas começaram a perceber como é que a memória espacial funciona registando neurónios individuais em ratazanas ou ratos enquanto eles comem ou exploram um ambiente à procura de comida.
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?"
Vamos imaginar que estamos a fazer registos de um único neurónio no hipocampo desta ratazana. Quando dispara um pequeno pico de eletricidade, vai aparecer uma bola vermelha e ouve-se um clique. Então o que vemos é que este neurónio sabe sempre que a ratazana foi para um sítio particular no seu ambiente. E faz sinal ao resto do cérebro enviando um pequeno pico elétrico. Assim podemos apresentar a taxa de disparos que aquele neurónio como uma função da localização do animal. Se fizermos registos de neurónios diferentes, vemos que esses neurónios disparam quando o animal vai para diferentes partes do ambiente, como nesta caixa quadrada aqui mostrada. Assim, juntos formam um mapa para o resto do cérebro, dizendo continuamente ao cérebro: "Onde é que eu estou no meu 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.
As células de localização estão a ser registadas em humanos. Os doentes de epilepsia às vezes precisam de monitorizar a atividade elétrica do seu cérebro. Alguns desses doentes jogaram um jogo de vídeo enquanto conduziam numa pequena cidade. As células de localização do hipocampo disparavam, tornavam-se ativas, começando a enviar impulsos elétricos sempre que eles conduziam num lugar específico naquela cidade.
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.
Como é que uma célula de localização sabe onde é que a ratazana ou pessoa está no seu ambiente? Estas duas células aqui mostram-nos que os limites do ambiente são particularmente importantes. O que está em cima gosta de disparar mais ou menos entre as paredes da caixa da caixa onde está a sua ratazana. E quando expandimos a caixa, os disparos de localização expandem-se. O que está em baixo gosta de disparar sempre que há uma parede perto na direção de sul. Se pusermos outra parede dentro da caixa, a célula dispara em ambos os lugares sempre que exista uma parede a sul enquanto o animal explora a sua caixa. Então isto prevê que detetar as distâncias e direções dos limites à nossa volta — extensões de edifícios e afins — é particularmente importante para o hipocampo. De facto, nos dados reunidos pelo hipocampo, encontram-se células que se projetam no hipocampo, e que respondem com precisão a detetarem limites ou margens a distâncias particulares e direções da ratazana ou rato enquanto estes exploram.
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.
A célula da esquerda dispara sempre que o animal se aproxima de uma parede ou limite para este, quer seja a margem ou parede de uma caixa quadrada ou a parede circular de uma caixa circular ou até o limite da borda da mesa onde os animais estão a correr. E a célula da direita aqui dispara sempre que há um limite para sul, quer seja o limite da borda da mesa ou uma parede ou mesmo o espaço entre duas mesas separadas. Esta é a forma pela qual as células de localização determinam onde está o animal enquanto este explora.
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.
Também podemos testar onde pensamos que estão localizados objetos, como esta bandeirola, em ambientes simples ou mesmo, onde estará o nosso carro. Podemos pôr pessoas a explorar um ambiente e ver a localização que elas têm de se lembrar. Depois, se os colocarmos de novo no mesmo ambiente, são bastante eficazes a colocar um marcador onde eles pensam que estava a bandeirola ou o seu carro. Mas nalguns testes, podemos mudar a forma e o tamanho do ambiente como fizemos com a célula de localização.
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.
Nesse caso, podemos observar como muda o local que eles pensam ser onde tinha estado a bandeirola muda em função de como mudamos a forma e o tamanho do ambiente. Vemos, por exemplo, se a bandeirola estava onde está aquela cruz no pequeno ambiente quadrado, e depois perguntarmos às pessoas onde estava. Se aumentarmos o ambiente, o local onde eles pensam que estava a bandeirola amplia-se exatamente da mesma forma que a célula de localização se amplia. É como se se lembrassem onde estava a bandeirola guardando o padrão de disparos de todas as células de localização naquele local, e depois conseguem voltar àquele local movimentando-se por ali para conseguirem combinarem melhor o padrão atual das células de localização com o padrão guardado. Isso guia-vos de volta ao local que vocês querem recordar.
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.
Mas também sabemos onde estamos pelo movimento. Se seguirem por um caminho desconhecido — talvez tenham estacionado e vagueado um pouco — sabem, por causa dos vossos movimentos, que podem integrar, ao longo do caminho, qual será a direção para voltar atrás. As células de localização conseguem este tipo de integração de dados do caminho de um tipo de célula chamada célula de rede.
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.
As células de rede são encontradas nos dados recolhidos do hipocampo, e são um pouco como as células de localização. Mas agora enquanto a ratazana explora, cada célula individual dispara numa variedade de localizações diferentes que estão colocados pelo ambiente numa rede triangular espantosamente regular. E se vocês fizerem registos de várias células de rede — mostradas aqui em cores diferentes — cada uma tem um padrão de disparos semelhantes por todo o ambiente, e cada padrão de disparo de células da rede muda ligeiramente em comparação com as outras células. A vermelha dispara nesta rede e a verde naquela ali e a azul dispara nesta aqui.
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.
Em conjunto, é como se a ratazana conseguisse ativar uma rede virtual de locais de disparos pelo seu ambiente um pouco como as linhas de latitude e a longitude que encontramos nos mapas, mas usando triângulos. E enquanto se move, a atividade elétrica pode passar de uma destas células para a célula seguinte para se recordar de onde está, para poder usar os seus movimentos para saber onde está no seu 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.
E as pessoas têm células de rede? Como todos os padrões de disparos da rede têm os mesmos eixos de simetria, as mesmas orientações da rede, mostradas aqui a laranja, significa que a atividade da rede de todas as células rede numa zona particular do cérebro, devia mudar de acordo com o estamos a percorrer em cada uma destas seis direções ou a percorrer cada uma das seis direções que ficam a meio. Então podemos por pessoas num equipamento de ressonância magnética e pô-los a jogar um pequeno jogo de vídeo como o que vos mostrei e procurar este sinal. Sim, podem localizá-lo no córtex entorrinal humano, que é a mesma parte do cérebro onde localizamos as células rede nas ratazanas.
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.
Agora voltamos a Homer. Talvez ele se lembre onde estava o carro dele em termos de distâncias e direções em relação a edifícios e limites à volta do sítio onde estacionou. Isso seria representado pelo disparo de células detetoras de limites. Ele também se está a lembrar do caminho que fez ao sair do carro, que seria representado pelos disparos das células rede. Agora ambos tipos de células podem fazer disparar as células de localização. E ele pode voltar ao sítio onde estacionou movendo-se de forma a encontrar o ponto que melhor se enquadra no padrão de disparos atual das células de localização do seu cérebro com o padrão guardado do local onde estacionou o carro. Isso guia-o de volta a esse local independentemente de pistas visuais como se o carro estivesse mesmo ali. Talvez tenha sido rebocado. Mas ele sabe onde estava, por isso sabe ir buscá-lo.
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.
Então, para além da memória espacial, se procurarmos este padrão de disparos por todo o cérebro, vamos vê-lo numa série de locais que estão sempre ativos quando fazemos todo o tipo de tarefas ligadas à memória autobiográfica, como recordar a última vez que fomos a um casamento, por exemplo. Então pode significar que os mecanismos neurais para representar o espaço que nos envolve também são usados para gerar um imaginário visual para que possamos recriar uma cena espacial, pelo menos, dos acontecimentos que nos aconteceram quando os queremos imaginá-los.
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.
Se isto acontecesse, as nossas memórias começariam com as células de localização a ativarem-se umas às outras por intermédio destas densas ligações e depois reativando as células de limite para criar a estrutura espacial da cena à volta da vossa perspetiva. As células rede podiam mover essa perspetiva por aquele local. Outro género de célula, as células de direção. que ainda não referi, disparam como uma bússola de acordo com a direção que tomamos. Elas pode definir a direção de visão da qual vão querer gerar uma imagem para o vosso imaginário visual, para que possam imaginar o que aconteceu quando foram ao tal casamento.
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.
Isto é apenas um exemplo de uma nova era na neurociência cognitiva em que começamos a perceber os processos psicológicos tais como lembrarmo-nos ou imaginarmos ou mesmo pensarmos em termo das ações dos mil milhões de neurónios individuais que formam os nossos cérebros.
Thank you very much.
Muito obrigado.
(Applause)
(Aplausos)