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.
เมื่อเรานำรถเข้าจอดในลานจอดรถขนาดใหญ่ เราสามารถจำจุดที่เราจอดรถได้อย่างไร นี่คือปัญหาที่คุณโฮเมอร์(การ์ตูน ซิมป์สัน) กำลังประสบ และเรากำลังพยายามทำความเข้าใจ สิ่งที่เกิดขึ้นในสมองของเขา
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.
เราจะเริ่มต้นที่สมองส่วนที่ชื่อว่าฮิปโปแคมปัส(hippocampus) แสดงด้วยสีเหลืองในรูป ซึ่งเป็นอวัยวะหน่วยความจำ ที่หากได้รับความเสียหาย เช่นในกรณีเป็นโรคความจำเสื่อม (Alzheimer) คุณจะไม่สามารถจำสิ่งใด รวมทั้งจุดที่คุณจอดรถ มันมีลักษณะคล้ายม้าน้ำ จึงถูกเรียกว่าฮิปโปแคมปัสซึงแปลว่าม้าน้ำในภาษาละติน มันประกอบด้วยเซลล์ประสาทเหมือนกับสมองส่วนอื่น ๆ
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.
สมองของมนุษย์ ประกอบด้วยเซลล์ประสาทประมาณหนึ่งแสนล้านเซลล์ และเซลล์ประสาทเหล่านี้จะสื่อสารกัน ด้วยการส่งคลื่นไฟฟ้าขนาดเล็ก ผ่านส่วนเชื่อมต่อถึงกันและกัน ฮิปโปแคมปัสถูกสร้างด้วยแผ่นเซลล์สมองสองแผ่น ที่เชื่อมต่อกันอย่างหนาแน่นมาก และนักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มเข้าใจ ว่าหน่วยความจำส่วนที่จดจำสถานที่และตำแหน่งทำงานอย่างไร โดยการบันทึกแต่ละเซลล์ประสาท ในหนู ขณะที่พวกมันเที่ยวหาหรือสำรวจพื้นที่ เพื่อหาอาหาร
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?"
ตอนนี้เราจะจินตนาการว่า เรากำลังบันทึกจากเซลล์ประสาทหนึ่งเซลล์ ที่อยู่ในฮิปโปแคมปัสของหนู และเมื่อเซลล์ส่งคลื่นไฟฟ้าขนาดเล็กออกมา ก็จะมีจุดสีแดงปรากฏขึ้นพร้อมกับเสียง คลิก ดังนั้นสิ่งที่เราเห็น ก็คือเซลล์ประสาทรับรู้ เมื่อใดก็ตามที่หนูไปยังตำแหน่งหนึ่ง ๆ ภายในพื้นที่ และมันจะส่งสัญญาณไปยังสมองส่วนอื่น ด้วยการส่งคลื่นไฟฟ้าขนาดเล็ก ดังนั้นเราจึงสามารถแสดง อัตราการส่งสัญญาณของเซลล์ประสาทนี้ ที่แปรผันตามตำแหน่งของหนูได้ และถ้าเราบันทึกจากหลาย ๆ เซลล์ประสาทที่แตกต่างกัน เราจะเห็นว่า เป็นเซลล์ประสาทที่ต่างกันที่ส่งสัญญาณออกมา ขณะเมื่อหนูอยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกัน เหมือนในรูปสี่เหลี่ยมแต่ละอันที่คุณเห็นอยู่นี้ ซึ่งเมือนำทั้งหมดนี้มารวมกันก็จะเกิดเป็นแผนที่ สำหรับสมองส่วนอื่นๆ เพื่อบอกกับสมองอย่างต่อเนื่องว่า ขณะนี้ฉันอยู่ในตำแหน่งใดของพื้นที่?
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.
เพลสเซลล์ (Place Cell) ก็ถูกบันทึกในมนุษย์เช่นเดียวกัน ผู้ป่วยโรคลมชักบางครั้งต้อง เข้ารับการตรวจคลื่นไฟฟ้าในสมองของพวกเขา และผู้ป่วยบางคนจะเล่นวิดีโอเกม ที่จำลองว่าเขาขับรถไปรอบๆ เมืองเล็กๆ และเพลสเซลล์ในฮิปโปแคมปัสก็จะตื่นตัว และเริ่มส่งคลื่นไฟฟ้าออกมา เมื่อใดก็ตามที่พวกเขาขับรถผ่านสถานที่ใดสถานที่หนึ่งในเมืองนั้น
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.
แล้วเพลสเซลล์รู้ ตำแหน่งของหนูหรือบุคคลภายในพื้นที่ได้อย่าง? เซลล์สองอันที่เห็นอยู่นี้ แสดงให้เราเห็นว่า เส้นขอบเขตของพื้นที่ คือสิ่งที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง เซลล์ที่อยู่ข้างบน จะส่งสัญญาณ ขณะที่หนูอยู่ในตำแหน่งแถว ๆ ตรงกลางระหว่างผนัง ของกล่อง และเมื่อคุณขยายกล่อง ตำแหน่งที่เกิดการส่งสัญญาณก็จะขยายตาม เซลล์ด้านล่างก็จะส่งสัญญาณ เมื่อใดก็ตามที่มีผนังอยู่ใกล้ ๆ ทางทิศใต้ และถ้าคุณใส่กำแพงอีกอันเข้าไปภายในกล่อง เซลล์ก็จะส่งสัญญาณในทั้งสองตำแหน่ง ซึ่งมีกำแพงผนังอยู่ใกล้ๆ ทางทิศใต้ ขณะที่หนูวิ่งสำรวจไปรอบๆ ในกล่องของมัน ดังนั้น สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่า การตรวจจับระยะและทิศทางของกำแพงรอบๆ ตัวคุณ และอาคารถัดไป ถัดไป เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับฮิปโปแคมปัส อันที่จริง ณ ขณะที่ส่งข้อมูลเข้าไปที่ฮิปโปแคมปัส เซลล์จะรู้ว่าอันไหนในฮิปโปแคมปัส จะตอบสนอง เพื่อการตรวจจับแนวเขตกำแพงหรือขอบ ที่มีระยะและทิศทางหนึ่งๆ จากตัวหนู ขณะที่มันสำรวจไปรอบๆ
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.
ซึ่งคุณจะเห็นว่าเซลล์ด้านซ้ายมือ จะส่งสัญญาณเมื่อไหร่ก็ตามที่หนูเข้ามาใกล้ กับกำแพงหรือสุดผนังทางทิศตะวันออก ไม่ว่าจะเป็นสุดขอบหรือสุดผนังของกล่องสี่เหลี่ยม หรือผนังของกล่องทรงกลม หรือแม้แต่หยดน้ำที่ขอบโต๊ะ ซึ่งหนูกำลังวิ่งอยู่รอบๆ และเซลล์ที่อยู่ด้านขวานั้น จะส่งสัญญาณ เมื่อสุดเขตทางทิศใต้ ไม่ว่าจะเป็นหยดน้ำที่ขอบของโต๊ะหรือกำแพง หรือแม้กระทั่งช่องว่างระหว่างโต๊ะสองตัวที่ถูกดึงออกจากกัน ซึ่งนั่นก็คือ วิธีหนึ่งที่เราคิดว่า เพลสเซลล์ใช้บอกตำแหน่งของหนูขณะมันสำรวจไปรอบๆ
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.
นอกจากนี้เรายังสามารถทดสอบ กับกรณีที่เราคิดว่าวัตถุตั้งอยู่ที่ใด เช่น ธงอันนี้ปักอยู่ตรงไหนของพื้นที่ หรืออาจจะเป็น ตำแหน่งที่รถของคุณจอดอยู่ ดังนั้นเราจะให้คนสำรวจไปรอบๆ พื้นที่ และดูตำแหน่งที่พวกเขาต้องจดจำ และจากนั้น ถ้าเราให้พวกเขากลับเข้าไปในพื้นที่ โดยทั่วไปแล้ว พวกสามารถจะระบุตำแหน่ง ที่พวกเขาคิดว่าเคยมีธงหรือรถของพวกเขาเคยจอดอยู่ ได้อย่างถูกต้อง แต่ในการทดลองบางครั้ง เราจะเปลี่ยนรูปร่างและขนาดของพื้นที่ เหมือนที่เราทำกับเพลสเซลล์
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.
ในกรณีนี้ เราจะเห็นว่า การเปลี่ยนตำแหน่งของธงในความคิดของพวกเขา แปรผันตาม การเปลี่ยนรูปร่างและขนาดของพื้นที่ของคุณอย่างไร และสิ่งที่คุณจะเห็น ตัวอย่างเช่น ถ้าธงเคยปักอยู่ในตำแหน่งที่ทำเครื่องหมายในพื้นที่สี่เหลี่ยมเล็กนี้ แล้วถ้าคุณถามเขาว่าธงเคยปักอยู่ที่ใหน โดยที่คุณได้ขยายพื้นที่ให้ใหญ่ขึ้นกว่าเดิม ตำแหน่งที่พวกเขาคิดว่าธงเคยปักอยู่ จะเลื่อนออกไปเช่นเดียวกับ เพลสเซลล์ซึ่งส่งสัญญาณถูกขยายออกไป มันเหมือนกับว่าคุณจำว่าธงเคยปักอยู่ที่ตรงไหน โดยการเก็บบันทึก รูปแบบการส่งสัญญาณของเพลสเซลล์ทั้งหมดของคุณ ที่ตำแหน่งนั้นไว้ และคุณสามารถกลับไปยังตำแหน่งเดิม ได้โดยการเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ เพื่อให้คุณสามารถสร้างรูปแบบการส่งสัญญาณของเพลสเซลล์ ณ ปัจจุบันของคุณให้ใกล้เคียงกับ รูปแบบที่ได้ถูกเก็บบันทึกไว้ก่อนหน้า มันนำทางคุณกลับไปยังตำแหน่งที่คุณต้องการจดจำ
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.
นอกจากนี้ เรายังทราบตำแหน่งของเราผ่านทางการเคลื่อนที่ ถ้าหากเราเคลื่อนที่ในทิศทางออกสู่ข้างนอก เช่น เราจอดรถและเราก็เดินออกไป เรารู้เพราะว่าการเคลื่อนที่ของเรา ซึ่งเราสามารถรวมเส้นทางเดินนี้เข้าไป โดยประมาณว่าเราจะต้องเคลื่อนที่ในทิศทางใดในการที่จะกลับมา และเพลสเซลล์สามารถรับรู้ข้อมูลเส้นทางเดินนี้ จากเซลล์ที่เรียกว่ากริดเซลล์ (Grid Cell)
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.
และกริดเซลล์จะถูกค้นพบและดึงออกมา,เช่นกัน, ณ ขณะที่ส่งข้อมูลเข้าไปยังฮิปโปแคมปัส และพวกมันก็คล้ายกับเพลสเซลล์ แต่ว่า ในขณะที่หนูสำรวจไปรอบๆ แต่ละเซลล์จะส่งสัญญาณออกมา ในทุก ๆ ตำแหน่งที่ต่างกัน ครอบคลุมพื้นที่ทั่วทั้งหมด ในรูปแบบตาข่ายของสามเหลี่ยมด้านเท่าอย่างน่าอัศจรรย์ และถ้าคุณบันทึกจากหลายๆ กริดเซลล์ ที่แสดงให้เห็นอยู่นี้ด้วยสีที่แตกต่างกัน แต่ละอัน ก็จะมีรูปแบบการส่งสัญญาณที่คล้ายตาข่าย ครอบคลุมทั้งพื้นที่ และรูปแบบการส่งสัญญาณของแต่ละเซลล์ก็จะเหลี่อมกันเล็กน้อย เมื่อเทียบกับเซลล์อื่น ๆ ดังนั้น เซลล์สีแดงส่งสัญญาณบนตาข่ายนี้ และสีเขียวบนนี้ และสีฟ้าบนนี้
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.
เมื่อรวมทั้งหมดเข้าด้วยกัน ก็จะเหมือนกับว่าหนู สามารถสร้างตารางเสมือนของตำแหน่งการส่งสัญญาณ ครอบคลุมพื้นที่ทั้งหมด เหมือนเส้นละติจูดและเส้นลองจิจูดบนแผนที่ แต่เป็นสามเหลี่ยม และขณะที่หนูมันเคลื่อนที่ไปรอบๆ คลื่นไฟฟ้าสามารถวิ่งจาก เซลล์หนึ่งไปยังเซลล์ถัดไป เพื่อติดตามตำแหน่งของมัน เพื่อที่มันจะสามารถใช้การเคลื่อนที่ของตัวมันเอง บอกให้รู้ตำแหน่งของตัวมันภายในพื้นที่
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.
แล้วมนุษย์ล่ะ มีกริดเซลล์ใหม? เนื่องจากรูปแบบการส่งสัญญาณคล้ายตาข่ายทั้งหมด มีสมมาตรของแกนเหมือนกัน มีการเรียงตัวที่เหมือนกันของตาข่าย ดังที่เห็นเป็นสีส้ม ซึ่งหมายความว่าคลื่นไฟฟ้าสุทธิ ของกริดเซลล์ทั้งหมดในส่วนใดส่วนหนึ่งของสมอง ควรเปลี่ยน ตามสถานะว่าเราวิ่งไปตามทิศทางทั้งหกนี้ หรือวิ่งไปตามทิศทางอันใดอันหนึ่ง ในหกอันที่อยู่ระหว่างกลาง ดังนั้น เรานำคนเข้าเครื่องเอ็ม อาร์ ไอ (MRI) ให้พวกเขาเล่นวิดีโอเกมส์กัน เหมือนกับที่ผมให้คุณดูก่อนหน้านี้ และมองหาสัญญาณนี้ และแน่นอน คุณจะเห็นมันในสมองของมนุษย์ ส่วนเอนโทรีนอล คอร์เท็กซ์(Entorhinal cortex) ซึ่งเป็นสมองส่วนเดียวกันกับที่คุณเห็นกริดเซลล์ในหนู
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.
ดังนั้น กลับไปที่โฮเมอร์ เขาอาจจะจำจุดที่เขาจอดรถได้ ในแง่ของระยะทางและทิศทาง เที่ยบกับอาคารและขอบเขตของพื้นที่ รอบๆ สถานที่ที่เขาจอดรถ และนั่นจะถูกแสดงด้วย การส่งสัญญาณของเซลล์ที่ทำหน้าที่ตรวจจับขอบเขต และเขายังสามารถจดจำเส้นทางที่เขาเดินออกจากที่จอดรถ ซึ่งสามารถแสดงได้ด้วยการส่งสัญญาณของกริดเซลล์ ซึ่งเซลล์ทั้งสองชนิดนี้ สามารถทำให้เพลสเซลล์ส่งสํญญาณออกมาได้ และเขาสามารถกลับไปยังตำแหน่งที่เขาจอดรถได้ โดยการเคลื่อนที่ไปเรื่อยๆ เพื่อหาตำแหน่ง ที่มีรูปแบบการส่งสัญญาณ ของเพลสเซลล์ในสมองของเขา ณ ขณะนั้น ตรงกับรูปแบบการส่งสัญญาณที่ถูกเก็บไว้ขณะที่เขาจอดรถ และมันคือสิ่งนำทางให้เขากลับไปยังตำแหน่งเดิมได้ ไม่ว่าภาพที่ปรากฏต่อสายตาจะเป็นอย่างไร เช่นไม่ว่ารถของเขาจะอยู่ตรงนั้นหรือไม่ บางทีมันอาจจะก็ถูกลากไปแล้วก็ได้ แต่เขาก็รู้ว่ามันเคยอยู่ที่ไหน เขารู้เส้นทางที่จะไปเอามัน
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.
ดังนั้น นอกเหนือจากหน่วยความจำส่วนที่จดจำตำแหน่งและสถานที่ ถ้าเรามองหารูปแบบการส่งสัญญาณที่คล้ายตาข่าย ทั่วทั้งสมอง เราพบมันได้หลายแห่ง ซึ่งมันจะทำงานเสมอ เมื่อเราย้อนคิดถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในอดีต เช่นการคิดถึงงานแต่งงานที่คุณไปครั้งล่าสุด ดังนั้นจึงอาจเป็นไปได้ว่ากลไกประสาท สำหรับแสดงพื้นที่รอบๆ ตัวเรา ยังถูกใช้ในการสร้างจินตนาการภาพ เพื่อให้อย่างน้อยที่สุด เราสามารถจะสร้างภาพสถานที่ในความทรงจำ ของเหตุการณ์ที่ได้เกิดขึ้นกับเราขึ้นมา เมื่อเราต้องการที่จะคิดถึงมัน
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.
ดังนั้น หากสิ่งนี้กำลังเกิดขึ้น(คุณกำลังคิดถึงภาพในอดีต) ระบบความจำของคุณจะเริ่มต้นด้วยเพลสเซลล์กระตุ้นซึ่งกันและกัน ผ่านการเชื่อมโยงที่หนาแน่น จากนั้นก็ไปกระตุ้นเซลล์ที่เก็บขอบเขตของพื้นที่ให้ทำงาน เพื่อสร้างโครงสร้างของพื้นที่ ของภาพรอบๆ มุมมองของคุณ และกริดเซลล์จะสามารถย้ายมุมมองนี้ผ่านพื้นที่นั้น และเซลล์อีกชนิดหนึ่ง คือ เซลล์บอกทิศทาง ซึ่งผมยังไม่ได้พูดถึง จะส่งสัญญาณเหมือนเข็มทิศ ขึ้นอยู่กับว่าคุณหันหน้าไปทางไหน มันจะกำหนดทิศทางของมุมมอง ที่ซึ่งคุณต้องการสร้างภาพของจินตภาพที่คุณต้องการขึ้นมา เช่นคุณสามารถจินตนาการสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อคุณอยู่ที่งานแต่งงาน
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.
นี้เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่ง ของยุคใหม่อย่างแท้จริง ของวงการประสาทวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการรับรู้ (Cognitive neuroscience) ที่เรากำลังเริ่มที่จะเข้าใจ กระบวนการทางจิตวิทยา เช่น คุณ จดจำ หรือ จินตนาการ หรือแม้กระทั่ง คิด ได้อย่างไร ในแง่ของการทำงานของ แต่ละเซลล์ประสาทจำนวนหลายพันล้านเซลล์ ที่รวมกันเป็นสมองของเรา
Thank you very much.
ขอบคุณมากครับ
(Applause)
(ปรบมือ)