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 paramos em um grande estacionamento como lembramos onde deixamos nosso carro? Eis aqui o problema que Homer enfrenta. E vamos tentar entender o que está acontecendo em seu cérebro.
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.
Assim, começaremos com o hipocampo, mostrado em amarelo, que é o órgão da memória. Se você tem algum dano ali, como no Alzheimer, você não consegue lembrar coisas, incluindo onde você estacionou o carro. Seu nome vem do latim para "cavalo marinho", com o qual ele se assemelha. E, como o restante do cérebro, é feito de neurônios.
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 aproximadamente cem bilhões de neurônios. E os neurônios se comunicam uns com os outros enviando pequenos pulsos ou faíscas de eletricidade por meio das conexões de um com outro. O hipocampo é formado de duas camadas de células, que são interconectadas muito densamente. E cientistas começaram a entender como a memória espacial funciona, registrando neurônios individuais em ratos e camundongos, enquanto se alimentam ou exploram um ambiente procurando por 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?"
Portanto, vamos imaginar que estamos registrando um único neurônio no hipocampo deste rato aqui. E quando ele dispara uma pequena faísca de eletricidade, vai ocorrer um ponto vermelho e um clique. Assim, o que vemos é que este neurônio sabe sempre que o rato vai para um local específico em seu ambiente. E ele sinaliza para o restante do cérebro enviando uma pequena faísca elétrica. Assim, poderíamos apresentar a taxa de acendimento desse neurônio como uma função da localização do animal. E se registramos muitos neurônios diferentes, verão que diferentes neurônios se acendem quando o animal vai a diferentes partes de seu ambiente, como nesta caixa quadrada, exibida aqui. Dessa forma, juntos eles formam um mapa para o restante do cérebro, informando ao cérebro continuamente: "Onde estou agora dentro de 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.
Células de localização também estão sendo registradas em humanos. Pacientes com epilepsia às vezes precisam que a atividade elétrica em seus cérebros seja monitorada. Alguns desses pacientes jogaram um vídeo game no qual eles percorrem uma cidade pequena. E células de localização no hipocampo deles acenderam, tornaram-se ativas, começaram a enviar impulsos elétricos toda vez que passavam por um local 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.
Portanto, como uma célula de localização sabe onde o rato ou pessoa está dentro de seu ambiente? Bem, estas duas células aqui nos mostram que os limites do ambiente são particularmente importantes. Assim, aquela no topo gosta de acender mais ou menos no centro, entre as paredes da caixa em que o rato está. E quando você expande a caixa, o local do acendimento expande. Aquela de baixo gosta de acender sempre que há uma parede perto, na direção sul. E se você coloca outra parede dentro da caixa, então a célula acende em ambos os lugares sempre que há uma parede na direção sul, à medida que o animal explora sua caixa. Assim, isso prevê que detetar distâncias e direções dos limites ao seu redor -- extensões de edificações e assim por diante -- é particularmente importante para o hipocampo. E, de fato, nos dados coletados para o hipocampo, são encontradas células que projetam no hipocampo, que realmente responde com precisão à detecção de limites ou bordas em distâncias e direções específicas do rato ou camundongo à medida que ele está explorando as cercanias.
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.
Assim, a célula à esquerda, você pode ver, acende sempre que o animal fica perto de uma parede ou um limite na direção leste, seja esse limite uma parede de uma caixa quadrada ou a parede circular de uma caixa redonda, ou mesmo, a queda na borda de uma mesa, na qual os animais estejam correndo. E a célula, à direita ali, acende sempre que há um limite na direção sul, seja a queda na borda da mesa, uma parede ou até mesmo o espaço entre duas mesas que estão separadas. Portanto, esta é uma maneira pela qual, nós pensamos, as células de localização determinam onde o animal está enquanto explora as redondezas.
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.
Podemos também testar onde achamos que os objetos estão, como esta bandeirola, em ambientes simples -- ou mesmo, onde está seu carro. Assim, podemos ter pessoas explorando um ambiente e vendo o local que elas têm que lembrar. Em seguida, se as colocamos de volta no ambiente, geralmente elas são bastante boas em colocar um marcador onde elas pensam que a bandeirola ou o carro estava. Mas em alguns experimentos, podemos mudar o formato 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 ver como o local em que eles pensam que a bandeirola estava muda como uma função de como você muda o formato e o tamanho do ambiente. E o que você vê, por exemplo, se a bandeirola estava onde estava esta cruz em um pequeno ambiente quadrado, e, então, se você pergunta às pessoas onde ela estava, mas você tornou o ambiente maior, onde elas acham que a bandeirola estava se estica exatamente da mesma maneira que o acendimento da célula de localização se estica. É como se você lembrasse onde estava a bandeirola, armazenando o padrão de acendimento de todas as suas células de localização naquele local, e daí você pode voltar a esse local, movendo-se ao redor, para que combine melhor o padrão de acendimento atual de suas células de localização com aquele padrão armazenado. Isso guia você de volta ao local que você quer lembrar.
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 através do movimento. Dessa forma, se vagamos por um caminho que nos leva para fora -- pode ser que tenhamos estacionado e andado ao acaso -- sabemos por causa de nossos próprios movimentos, que podemos integrar sobre esse caminho, qual é, grosso modo, a direção para voltar. E as células de localização também têm esse tipo de integração de dados coletados do caminho de um tipo de célula chamada de célula-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.
Agora, as células-rede são encontradas, novamente, nos dados coletados para o hipocampo, e são um pouquinho como as células de localização. Mas, agora, à medida que o rato explora as redondezas, cada célula individual acende numa matriz completa de diferentes locais que estão colocados pelo ambiente, em uma rede triangular espantosamente regular. E se você faz o registro de diferentes células-rede -- mostradas aqui em cores diferentes -- cada uma tem um padrão de acendimento semelhante à rede através do ambiente, e cada padrão de acendimento semelhante a rede é levemente deslocado relativamente às outras células. Assim, as vermelhas se acendem nesta rede e as verdes, nesta e as azuis, nesta outra.
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.
Juntas, é como se o rato pudesse colocar uma rede virtual de locais de acendimento por todo o ambiente -- um pouco como linhas de latitude e longitude que encontramos em mapas, mas usando triângulos. E, à medida que se move ao redor, a atividade elétrica pode passar de uma dessas células para a próxima célula para manter a trajetória de onde ele está, dessa forma ele pode usar seus próprios movimentos para saber onde está em 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.
As pessoas têm células-rede? Bem, porque todos os padrões de acendimento semelhante à rede têm os mesmos eixos de simetria, as mesmas orientações da rede, mostradas em laranja aqui, isso significa que a atividade da rede de todas as células-rede em uma parte específica do cérebro deveria mudar de acordo com: se estamos correndo ao longo de uma dessas seis direções ou correndo ao longo de uma das seis direções no entremeio. Assim, podemos colocar as pessoas num 'scanner' de ressonância magnética e fazer com que joguem vídeo game como o que lhes mostrei e procurar por este sinal. E, de fato, você realmente o vê no córtex entorrinal humano, que é a mesma parte do cérebro na qual você vê células-rede em ratos.
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.
De volta a Homer. Provavelmente ele está lembrando onde está seu carro em termos de distâncias e direções em relação a extensões de edificações e limites ao redor do local onde estacionou. E isso seria representado pelo acendimento de células detetoras de limites Ele também lembra o caminho que tomou na saída do estacionamento, que seria representado no acendimento de células-rede. Agora, esses tipos de células podem fazer as células de localização acenderem. E ele pode retornar ao local onde estacionou movendo-se de forma a encontrar o ponto que melhor combine com o padrão de acendimento atual das células de localização em seu cérebro com o padrão armazenado do ponto onde ele estacionou seu carro. E isso o guia de volta àquele local, independente de pistas visuais, como se o carro estivesse realmente ali, Talvez tenha sido guinchado. Mas ele sabe onde estava, então ele sabe ir e apanhá-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, além da memória espacial, se procuramos por esse padrão de acendimento semelhante à rede por todo o cérebro, nós o vemos numa série de locais que estão sempre ativos quando fazemos todos os tipos de tarefas ligadas à memória autobiográfica, como lembrar a última vez que você foi a um casamento, por exemplo. Portanto, é possível que os mecanismos neurais para representar o espaço ao nosso redor também sejam usados para gerar imagens visuais de forma que possamos recriar a cena espacial, no mínimo, dos eventos que aconteceram conosco quando 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.
Assim, se isso estivesse acontecendo, suas memórias poderiam começar com as células de localização ativando umas às outras por meio dessas interconexões densas e, então, reativando as células de limites para criar a estrutura espacial da cena ao redor de seu ponto de vista. E as células-rede poderiam mover esse ponto de vista por esse espaço. Um outro tipo de célula, células de direção, que eu ainda não tinha mencionado, elas acendem como que uma bússola, de acordo com o que você está encarando. Elas poderiam definir a direção da visão da qual você quer gerar uma imagem para suas imagens visuais, de forma que você pode imaginar o que aconteceu quando você estava nesse casamento, por exemplo.
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.
Este é apenas um exemplo de uma nova era, realmente, na neurociência cognitiva na qual estamos começando a entender processos psicológicos de como você lembra, imagina ou mesmo pensa, em termos das ações dos bilhões de neurônios individuais que compõem nossos cérebros.
Thank you very much.
Muito obrigado.
(Applause)
(Aplausos)