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.
När vi parkerar på en stor parkering, hur kommer vi då ihåg var vi ställde bilen? Här står Homer inför det problemet. Och vi ska försöka förstå vad som händer i hans hjärna.
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.
Vi börjar med Hippocampus, färgat gult, vilket är hjärnans minnescentra. Om du har en skada här, som vid Alzheimer, så kan du inte komma ihåg någonting, inklusive var du ställde bilen. Det är namngivit efter "sjöhäst" på Latin, som det ser ut som. Liksom övriga hjärnan så består det av nervceller.
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.
Den mänskliga hjärnan innehåller alltså ungefär hundra miljarder neuroner. Och nervcellerna kommunicerar med varandra genom att skicka små impulser eller toppar av elektricitet via kopplingar till varandra. Hippocampus består av två lager med celler som är tätt sammakopplade. Forskare har börjat förstå hur rumsligt minne fungerar genom registrering från enstaka neuroner hos råttor eller möss medan de söker av eller utforskar en miljö i letan efter mat.
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?"
Så vi kommer att föreställa oss att vi registrerar signaler från en enstaka nervcell i Hippocampus hos råttan här. Och när den skjuter iväg en liten elektrisk pik, så kommer det att bli en röd punkt och ett klick. Så det vi ser nu är att den här nervcellen vet när än råttan har kommit till ett speciellt ställe i dess miljö. Och den signalerar till resten av hjärnan genom att skicka ut en liten elektrisk pik. Så vi skulle kunna visa avfyrningsfrekvensen av den nervcellen som en funktion av var djuret befinner sig. Och om vi registrerar många olika neuroner, så kommer vi se att olika neuroner utlöses när djuret kommer in i olika delar av dess miljö, som i den här kvadratiska lådan här. Så tillsammans formar de en karta för resten av hjärnan, som kontinuerligt talar om för hjärnan "Var i min miljö är jag nu?"
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.
Platsceller registreras också hos människor. Epilepsipatienter behöver ibland den elektriska aktiviteten i deras hjärnövervakning. Några av de här patienterna spelade ett TV-spel där de körde omkring i en liten stad. Platsceller i deras Hippocampus avfyrades, aktiverades, började skicka elektriska impulser närhelst som de körde genom en speciell plats i den staden.
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.
Så hur vet en platscell var råttan eller personen är inom dess miljö? Jo dessa två celler här visar oss att gränserna i miljön är speciellt viktiga. Så den på ovansidan gillar att aktiveras liksom halvvägs mellan väggarna på lådan som dess råtta befinner sig i. Och när man expanderar boxen, så expanderas också platsen för aktivering. Den nedre gillar att aktiveras närhelst det finns en vägg nära i sydlig riktning. Och om man placerar en annan vägg inuti lådan, så aktiveras cellen på båda platserna varhelst som det finns en vägg i sydligt riktning när djuret utforskar dess låda. Det här talar alltså för att känna avstånd och riktning till gränser omkring dig - byggnader och så vidare - är särkilt viktigt för Hippocampus. Och faktiskt, vid Hippocampus ingångar, har man hittat celler som projicerar in i Hippocampus, vilka reagerar precist för att känna av gränser eller kanter på specifika avstånd eller i speciella riktningar från musen eller råttan medan den söker omkring.
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.
Så cellen till vänster, som du kan se, den löser ut närhelst djuret kommer nära en vägg eller en gräns österut, vare sig det är kanten eller väggen på en kvadtratisk låda eller cirkulära väggen på den cirkulära lådan eller till och med stupet vid kanten på ett bord vilket djuren springer omkring på. Och cellen här till höger aktiveras närhelst det finns en gräns söderut, vare sig det är stupet vid kanten på ett bord eller en vägg eller till och med glipan mellan två isärdragna bord. Det är alltså ett sätt på vilket vi tror platsceller tar reda på var djuret är medan det utforskar.
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.
Vi kan också pröva var vi tror att objekt är, som den här målflaggan, i enkla miljöer - eller självklart också var din bil skulle vara. Så vi kan låta människor utforska en miljö och se den plats som de måste komma ihåg. Och sen, om vi sätter tillbaka dem i samma miljö, så är de för det mesta rätt bra på att markera var de trodde att flaggan eller bilen var. Men i vissa test, ändrade vi på miljöns storlek och form som vi gjorde med platscellen.
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.
I det fallet kan vi se hur var de trodde att flaggan skulle vara ändras som en funktion av hur man ändrar miljöns form eller storlek. Och det man ser, till exempel, om flaggan var där krysset var i en liten kvadratisk miljö och om du då frågar folk var den var, men att du gjort miljön större, var de tror att flaggan befunnit sig sträcker sig på exakt samma sätt som platscellens aktivering sträckt ut sig. Det är som om man kommer ihåg var flaggan var genom att lagra aktiveringsmönstret hos platscellerna på den platsen, och sedan att man kan komma tillbaka till samma plats genom att förflytta sig runt så att man matchar dåvarande mönstret hos platscellerna optimalt mot det lagrade mönstret. Det guidar dig tillbaka till platsen som du vill komma ihåg.
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.
Men vi vet också var vi är under det att vi rör oss. Så om vi tar en utgående väg - kanske vi parkerar bilen och går därifrån - så vet vi på grund av våra rörelser, som vi kan integrera i den här vägen ungefär vilken riktning vi har att gå tillbaka. Platsceller får också den här typen av vägintegrerings-input från en cell som kallas rutnätscell.
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.
Rutnätssceller kan man finna, som tidigare celler, på ingångarna till Hippocampus, och de fungerar ungefär som platsceller. Men nu när råttan utforskar, så aktiveras varje en cell på en en större mängd platser som är spridda över miljön i ett enastående regelbundet, triangelformat rutnät. och om man registrerar flera rutnätsceller - här visat i olika färger - har varje en ett rutnätsliknande aktiveringsmönster över hela miljön, och varje cells rutnätsliknande aktiveringsmönster förskjuts en aning i förhållande till de andra cellerna. Så den röda aktiveras på det här rutnätet och den gröna på det här och den blå på det här.
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.
Så sammaslaget är det som om råttan kan sätta ett virtuellt rutnät av aktiveringsplatser över dess miljö - litegrann som latitud- och longtitudlinjerna som finns på kartor, men med trekanter istället. Och under det att den förflyttar sig runt, så kan den elektriska aktiviteten passera från en cell till en annan för att hålla koll på var den är, så att den kan använda sina rörelser för att veta var den är i dess miljö.
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.
Har människor rutnätsceller? Jo, på grund av att alla rutnätsliknande aktiveringsmönster har samma axlar i symmetrin, samma axelorientering, här visat i orange, så betyder det att nettoaktiviteten hos alla rutnätsceller i viss del av hjärnan borde ändras utefter att vi rör oss längs de där sex riktningarna eller rör oss längs en av de sex riktningarna emellan. Så vi kan placera människor i en magnetröntgen och låta dem spela lite TV-spel ungefär som det jag visade er och sedan titta efter den här signalen. Och man hittar det i det mänskliga entorinala kortex vilket är samma del av hjärnan som du ser rutnätsceller hos råttor i.
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.
Tillbaka till Homer. Han kommer förmodligen ihåg var hans bil var i termer av distans och riktning till övriga byggnader och gränser runt platsen som han parkerade på. Det skulle då vara kartlagt genom aktiveringen hos gränsavkännande celler. Han kommer också ihåg vägen han tog ut från parkeringen, som då kartläggs genom aktivering av rutnätsceller. Båda de typerna av celler kan få platscellerna att aktiveras. Han kan alltså då återvända till platsen som han parkerade på genom att förflytta sig så att aktiveringsmönstret hos cellerna på platsen då bäst matchar aktiveringsmönstret som han lagrat för där han parkerade bilen. Och det guidar honom tillbaka till bilen utan hänsyn till visuella referenser som huruvida bilen egentligen står där. Kanske har den bogserats bort. Men han vet var den var så han vet var han ska hämta den.
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.
Undantaget spatialt minne, om vi tittar efter det här rutnätsliknande aktiveringsmönstret över hela hjärnan, så ser vi det på en hel rad platser som alltid är aktiva när vi gör alla möjliga typer av "självbiografiska" minnesuppgifter så som att komma ihåg när man senast var på bröllop, till exempel. Så det kan vara så att de neurologiska mekanismerna för kartläggning av utrymmet omkring oss också används för att generera visuella bilder så att vi kan återskapa rummet, åtminstone för de händelser som har hänt när vi vill föreställa oss dem.
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.
Så om det här skulle hända, så skulle dina minnen börja i och med att platsceller aktiverar varandra via de här täta sammankopplingarna och sen återaktivera gränsceller för att bygga upp den spatiala strukturen av miljön omkring din utgångspunkt. Rutnätsceller kan då flytta den här utgångspunkten genom det utrymmet. En annan typ av cell, huvudriktningsceller, som jag inte har nämnt ännu, de avfyras, i likhet med en kompass, i enlighet med den riktning du står. De kan då definiera betraktningsvinkeln från vilken du vill skapa en visuell bild, så att du kan föreställa dig vad som hände när du var på det där bröllopet, till exempel.
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.
Så det här är bara ett exempel på en verkligen ny era inom kognitiv neurologiforskning där vi nu börjar förstå psykologiska processer som hur du minns eller föreställer dig eller ens tänker i termer av mekanismen hos de miljarder enskilda neuroner som utgör hjärnan.
Thank you very much.
Tack så mycket.
(Applause)
(Applåder)