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.
Когда вы паркуете машину на просторной стоянке, как вы запоминаете её точное местоположение? Этой проблемой озадачен и Гомер. Мы попытаемся понять, что именно происходит у него в голове.
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.
Начнём с этой жёлтой извилины морского конька, отвечающей за память. Если она повреждена, как при болезни Альцгеймера, вы ничего не помните, включая место парковки машины. Название извилины происходит от латинского «морской конёк», который она напоминает. Как и весь мозг, она состоит из нейронов.
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.
Человеческий мозг содержит около 100 миллиардов нейронов. Нейроны общаются между собой, посылая друг другу по связям электрические импульсы. Гиппокамп состоит из двух пластов нейронов, тесно связанных между собой. Учёные начали понимать принципы работы пространственной памяти при помощи записи отдельных нейронов у крыс и мышей, когда те исследуют окрестности в поисках еды.
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?"
Посмотрим на запись сигнала одного нейрона гиппокампа вот этой крысы. Когда он посылает электрический импульс, вы увидите красную точку и услышите щелчок. Мы видим, что этот нейрон знает о передвижениях крысы в пространстве. Он подаёт сигнал мозгу, посылая электрический импульс. Мы можем сказать, что КПД этого нейрона зависит от местоположения животного. Если мы проследим за множеством нейронов, окажется, что разные нейроны реагируют при перемещении животного в пространстве, как показано вот здесь. Вместе нейроны формируют карту для всего мозга, постоянно сообщая ему местоположение в данный конкретный момент.
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.
Нейроны места обнаружены и у человека. Поэтому иногда больные эпилепсией нуждаются в контроле электрической активности мозга. Некоторые из пациентов играли в видеоигру — ездили на машине по небольшому городу. Нейроны места в гиппокампе становились активными, посылали электрические импульсы, когда пациенты ехали по определённой местности в том городе.
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.
Как нейрон места понимает, где именно находится крыса или человек? Эти два нейрона показывают, что границы пространства очень важны. Нейрону сверху нравится реагировать на полпути от стен коробки, в которой находится крыса. Чем больше коробка, тем шире активное пространство нейрона. Нейрону снизу нравится реагировать поблизости от стены на юге. И если поместить ещё одну стену в коробку, нейрон реагирует оба раза при приближении животного к стене на юге. Поэтому можно предположить, что ощущение расстояний и направление границ вокруг, в огромных зданиях и т.д., особенно важно для гиппокампа. Нейроны на входе гиппокампа передают ему информацию, реагируя непосредственно на выявление границ или углов в направлении или на местности, которую исследует крыса или мышь.
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.
Вы видите, что нейрон слева реагирует, как только животное приближается к стене или границе на востоке, будь это угол или стена квадратной коробки, округлая стена круглой коробки, или же край стола, по которому бегает животное. Нейрон же справа реагирует на наличие границы на юге, будь это край стола или стена, или же щель между двумя раздвинутыми столами. Это один из способов, по которому нейроны места определяют местонахождение животного при его перемещении.
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.
Мы можем также проверить местонахождение объектов, как вот этого флажка в обычных условиях, или вашей машины. Мы попросим людей изучить обстановку и посмотрим, какой участок они запоминают. Затем мы снова поместим их в эту обстановку. Обычно люди справляются с задачей и помнят, где именно находился флажок или машина. В некоторых экспериментах мы изменяем форму и размер окружения, как в эксперименте с нейронами места.
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.
Здесь мы наблюдаем следующее: идеи о местонахождении флажка изменяются в зависимостиот того, как мы изменяем форму и размер окружающей среды. Например, если флажок находился на месте красного крестика в небольшом квадратном пространстве, и если вы спросите людей о его местонахождении, увеличив при этом пространство, их представление о местоположении флажка расширяется точно так же, как расширяется зона активности нейронов места. Как будто вы запоминаете местонахождение флажка по карте, созданной нейронами места для этого участка пространства. Затем вы сможете вернуться к этому участку, перемещаясь по местности и пытаясь соотнести текущую создаваемую нейронами места карту с той, которая сохранена в памяти. Это возвращает вас на место, которое вы запоминаете.
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.
Не теряемся мы и во время движения. Если мы отдалимся от начальной точки — паркуем машину и прогуливаемся по местности — объединив наши передвижения в один путь, мы приблизительно знаем, как вернуться назад. Нейроны места получают эту обобщённую информацию от так называемых grid-нейронов.
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.
Grid-нейроны находятся на входе гиппокампа и напоминают нейроны места. Когда крыса исследует местность, каждая клетка реагирует во множестве различных точек, которые создают на местности удивительно правильную треугольную решётку. И если мы изучим несколько grid-нейронов, показанных здесь разным цветом, активность каждого из них напоминает решётку, и эта решётка немного сдвинута по отношению к другим клеткам. Красная клетка реагирует по этой решётке, зелёная вот по этой, и синяя вот по этой.
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.
Все вместе они создают для крысы виртуальную решётку активных участковпространства. Она напоминает линии широты и долготы на карте, только сделанные при помощи треугольников. Крыса продолжает передвигаться, и электрическая активность переходит от одной клетки к другой, чтобы крыса знала, где она находится. Она использует собственные передвижения для определения своего местоположения.
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.
Есть ли grid-нейроны у людей? Поскольку все решётки активности клеток имеют одинаковые оси симметрии, одинаковую ориентацию, как показано здесь оранжевым, решётчатая активность всех grid-нейронов в определённой части мозга должна изменяться согласно нашему передвижению в этих шести направлениях, или в одном из промежуточных направлений. Мы можем поместить человека в МРТ аппарат и попросить его поиграть в видеоигру — например ту, что мы уже видели — и попытаться отыскать сигнал. Оказывается, мы наблюдаем его в энторинальной зоне коры головного мозга. У крыс в этом месте мозга находятся grid-нейроны.
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.
Вернёмся к Гомеру. Скорей всего, он помнит, где его машина, учитывая направление и расстояние от границ парковки и зданий вокруг неё. Это возможно благодаря активности нейронов определения границ. Он также помнит путь, по которому вышел из парковки, что возможно благодаря активности grid-клеток. Эти два вида нейронов активизируют нейроны места. Он может вернуться к месту парковки машины, передвигаясь вокруг и сопоставляя текущую карту местности, создаваемую в этот момент мозгом, с той, которая уже имеется в памяти. Это и подводит его к нужному месту, независимо от зрительных подсказок или того факта, что его машина находится именно там. Возможно, её отбуксировали. Но он помнит, где она была, и знает, как туда вернуться.
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.
Кроме пространственной памяти, мы встречаем решётчатую активность по всему головному мозгу. Она отмечается на множестве постоянно активных участков, отвечающих за выполнение автобиографических задач, например, припоминание последней свадьбы, на которой вы были. Возможно, нейронные механизмы представления пространства вокруг нас используются также для создания зрительных образов, и мы можем воссоздать как минимум пространственные сцены произошедших с нами событий, когда мы этого хотим.
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.
В этом процессе ваша память начинается с активации нейронов места между собой по множественным связям. Затем активируются нейроны границ, создавая пространственную схему того, что находится в вашем поле зрения. Grid-нейроны могут перемещать поле зрения в пространстве. Ещё один вид нейронов — нейроны ориентации. О них я ещё не говорил. Они активизируются, как компас, в зависимости от вашего направления. Они могут определить направление обзора, в котором вы хотите создать зрительный образ. Так вы представляете, например, что произошло на свадьбе.
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.
Это лишь один пример новой эры в когнитивной нейробиологии. Мы начинаем понимать такие психологические процессы, как запоминание, воображение или мышление. Они зависят от активности несчётного числа нейронов, составляющих человеческий мозг.
Thank you very much.
Большое спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)