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.
Când parcăm într-o parcare mare, cum ne amintim unde am parcat mașina? Iată problema lui Homer. Vom încerca să înţelegem ce se întâmplă în creierul lui.
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.
Începem cu hipocampusul, indicat în galben, care e organul memoriei. Dacă hipocampusul e deteriorat, ca în Alzheimer, nu-ţi poţi aminti de exemplu unde ai parcat mașina. E numit după latinescul "căluţ de mare", cu care seamănă. La fel ca restul creierului, e alcătuit din neuroni.
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.
Creierul uman are cam 100 miliarde neuroni. Neuronii comunică între ei trimiţând ușoare impulsuri electrice prin conexiuni unul altuia. Hipocampusul e format din două straturi de celule, dens interconectate. Cercetătorii au început să înțeleagă cum funcționează memoria spațială analizând neuronii individuali la șobolani sau șoareci în timp ce sapă sau explorează mediul căutând hrană.
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?"
Ne vom imagina că înregistrăm semnalele unui singur neuron din hipocampusul acestui șobolan de aici. Când emite un impuls electric, va apărea un punct roșu și un click. Vedem că neuronul știe când șobolanul s-a dus într-un anume loc din împrejmuire. Și semnalează restului creierului printr-un impuls electric. Putem exprima rata de emitere a acelui neuron ca o funcţie dependentă de locația animalului. Iar dacă înregistrăm mulți alți neuroni, vedem că diferiți neuroni emit când animalul merge în alte părți din mediul său, precum această cutie pătrată. Împreună alcătuiesc o hartă pentru restul creierului, informându-l continuu "Unde sunt acum?"
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.
Celule de localizare sunt examinate și la oameni. Pacienţii cu epilepsie au uneori nevoie să le fie monitorizată activitatea electrică. Câțiva pacienți epileptici au jucat un joc video în care conduceau printr-un mic oraş. Celulele lor spațiale din hipocampus se activau, trimiteau impulsuri electrice când conduceau printr-o anumită zonă din acel oraș.
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.
Cum știe o celulă spațială unde se află șobolanul sau omul în spațiu? Aceste două celule de aici ne arată că limitele mediului sunt foarte importante. Cea de sus trimite impulsuri la jumătatea distanței dintre pereții cutiei în care e șobolanul. Când mărești cutia zona de impulsionare se extinde. Cea de jos se activează când e un perete în apropiere la sud. Dacă pui alt perete în cutie, celula se activează în ambele locuri dacă e un perete la sud în timp ce animalul explorează spațiul în cutie. Asta arată că evaluarea distanțelor și direcțiilor granițelor din jur -- clădiri, ș.a.m.d. -- sunt foarte importante pentru hipocampus. Într-adevăr, la intrările în hipocampus găsim celule care fac o hartă în hipocampus care răspund exact la detectarea limitelor sau marginilor la anumite distanțe sau direcții de la șoarece când explorează mediul.
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.
Celula din stânga, cum vedeți, se activează când animalul se apropie de un perete sau o graniță la est, fie că e marginea sau peretele unei cutii pătrate sau peretele circular al unei cutii rotunde sau chiar muchia mesei împrejurul căreia aleargă animalele. Celula din dreapta se activează când apare o limită la sud, fie că e muchia mesei sau un perete sau chiar spațiul dintre două mese despărțite. Acesta e un mod în care credem că celulele spațiale determină unde e animalul.
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.
Putem testa și locația pe care credem că o au obiecte precum acest steag, în medii simple -- sau unde s-ar afla mașina. Punem oamenii să exploreze un mediu și să vadă locația pe care trebuie să și-o amintească. Apoi, dacă îi aducem iar în mediu, se descurcă destul de bine să marcheze locul unde cred că s-a aflat steagul sau mașina. Dar în unele teste, am schimbat forma și mărimea mediului, așa cum am făcut cu celulele de locație.
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.
În acest caz, vedem că percepția poziției steagului se schimbă în funcție de cum modifici forma și mărimea mediului. Vedeți, de exemplu, dacă steagul era unde e acea cruce într-un mic pătrat, dacă îi întrebi pe subiecți, după ce ai mărit mediul, unde cred ei că a fost steagul se întinde în acelaşi mod în care s-au extins impulsurile celulei spațiale. E ca și cum ți-ai aminti unde a fost steagul memorând tiparul de impulsuri trimise de celulele de locație în acel loc și apoi te poți întoarce în acel loc, deplasându-te, astfel încât să potrivești tiparul actual de trimitere a impulsurilor cu tiparul stocat. Astfel ești ghidat spre locul pe care vrei să ți-l amintești.
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.
Dar știm unde ne aflăm și prin intermediul mișcării. Dacă luăm o locație îndepărtată -- parcăm și ne depărtăm -- știm datorită mișcărilor noastre pe care le integrăm de-a lungul acestui drum cam care e direcția pentru a ne întoarce. Şi celulele spațiale primesc acest tip de input de integrare, formează un fel de celulă numită celulă-reţea.
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.
Celulele reţea se află la intrarea în hipocampus, şi seamană oarecum cu celulele de localizare. Dar pe măsură ce şobolanul explorează împrejurimile, fiecare celulă individuală se activează într-o gamă întreagă de locaţii diferite dispuse în acest mediu într-o reţea triunghiulară incredibil de regulată. Şi dacă înregistrezi câteva celule din reţea -- indicate aici prin culori diferite -- fiecare are un tipar de activare ca o reţea în spațiu şi fiecare tipar de reţea al fiecărei celule e deplasat uşor relativ la celelalte celule. Cea roşie e activată în această reţea, cea verde în asta, cea albastră în asta.
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.
Aşa că împreună, e ca şi cum şobolanul poate alcătui o reţea viruală a locaţiilor de activare de-a lungul mediului său -- asemănătoare cu liniile de latitudine şi longitudine pe o hartă, dar utilizând triunghiuri. Şi cum se deplasează de jur împrejur activitatea electrică se transmite de la o celulă la următoarea celulă pentru a ține evidența unde este, folosindu-și propriile mişcări pentru a şti unde se află în propriul mediu.
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.
Au oamenii celule de reţea? Ei bine, pentru că toate aceste tipare de activare au aceleaşi axe de simetrie, aceeiaşi orientare a reţelei, indicată cu potocaliu aici, înseamnă că rezultanta activității tuturor celulelor de rețea dintr-o anume parte a creierului ar trebui să se schimbe dacă alergăm de-a lungul celor şase direcţii sau de-a lungul unei direcţii intermediare. Putem pune oamenii într-un scanner RMN unde joacă un video-game ca cel pe care vi l-am arătat şi căutăm acest semnal. Şi într-adevăr, îl vedeţi în cortexul entorinal uman, în aceiaşi parte a creierului unde vedeţi celule de reţea la cobai.
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.
Înapoi la Homer. Probabil îşi aminteşte unde-i era maşina în funcție de distanţele şi direcţiile relativ la clădirile şi împrejmuirile din jurul locului unde a parcat. Şi asta ar fi reprezentat de activarea celulelor de detectare a limitelor. Îşi aminteşte și drumul parcurs la ieşirea din parcare, reprezentat prin activarea celulelor de reţea. Ambele tipuri de celule pot activa celulele de localizare. Şi el se poate întoarce la locul unde a parcat mişcându-se astfel încât să găsească unde se potrivește cel mai bine cu tiparul activat al celulelor de localizare din creierul său, cu tiparul stocat al locului unde şi-a parcat maşina. Şi asta îl ghidează înapoi la locaţie independent de reperele vizuale, respectiv dacă maşina e efectiv acolo. Poate a fost ridicată. Dar ştie unde era, ştie unde să mergă s-o ia.
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.
Dincolo de memoria spaţială, căutând acest model de activare tip reţea în tot creierul, îl vedem într-o serie de locaţii care sunt mereu active când îndeplinim diverse sarcini autobiografice de memorie, cum ar fi când a fost ultima dată când am fost la o nuntă, de exemplu. Poate că mecanismele neuronale pentru reprezentarea spaţiului din jurul nostru sunt de asemena folosite pentru generarea de imagini vizuale pentru a recrea scena spaţială cel puţin, a evenimentelor care ni s-au întâmplat, când dorim să ni le imaginăm.
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.
Deci dacă asta s-a întâmplat, amintirile ar putea începe prin activarea reciprocă a celulelor spațiale prin intermediul acestor interconectări dense, apoi reactivând celulele-barieră pentru a crea stuctura spaţială a scenei din jur. Celulele-reţea ar putea muta acest punct prin spaţiu. Alt tip de celulă, celulele de direcţie, pe care nu le-am menţionat încă, se activează ca un compas în funcţie de direcţia spre care te uiți. Ar putea defini direcţia vizualizată dinspre care vrei să generezi o imagine pentru reprezentarea vizuală, ca să-ți poți imagina ce s-a întâmplat cănd ai fost la acea nuntă, de exemplu.
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.
Acesta e doar un exemplu al unei noi ere în neuroştiinţa cognitivă în care începem să înţelegem procesele psihologice cum sunt modul în care vă amintiţi, vă imaginaţi sau chiar gândiţi în funcție de acţiunile a bilioane de neuroni individuali care formează creierul.
Thank you very much.
Vă mulţumesc mult.
(Applause)
(Aplauze)