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.
Büyük bir otoparka park ettiğimizde, arabamızı nereye bıraktığımızı nasıl hatırlıyoruz? İşte Homer'ın başındaki dert de bu. Şimdi onun beyninde neler olup bittiğini anlamaya çalışacağız.
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.
Sarıyla gösterilmiş alan, hipokampla başlıyoruz ki bu hafıza organıdır. Burada hasar varsa, Alzheimer'da olduğu gibi, arabayı park ettiğiniz yer dahil hiçbir şeyi hatırlayamazsınız. Benzediği "deniz atının" Latince adıyla isimlendirilmiştir. Ve beynin geri kalan kısmı gibi
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.
nöronlardan oluşur. İnsan beyninde yaklaşık 100 milyar nöron vardır. Bu nöronlar, aralarındaki bağlantılılar aracılığıyla ufak titreşimler ya da elektrik akımları yollayarak birbirleriyle iletişim kurarlar. Hipokamp, yoğun biçimde birbiriyle bağlantılı iki hücre tabakasından oluşur. Ve bilim adamları, uzamsal hafızanın nasıl çalıştığını, sıçanlar ya da farelerin nöronlarından, onlar yiyecek araken veya bir ortamı incelerken, kayıtlar alarak anlamaya başladılar.
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?"
Şu farenin hipokampından tek bir nöronun kaydını aldığımızı hayal edelim. Ve ufak bir elektrik akımı gönderildiğinde kırmızı bir nokta ve 'klik' sesi oluşacak. Şimdi gördüğümüz şey şudur: Bu nöron, sıçan ne zaman ortamın içerisinde belli bir yere gitse bunu fark ediyor. Ve ufak bir elektrik akımı yollayarak beynin geri kalan kısmına durumu bildiriyor. Bu nöronun sinyal gönderme oranının, hayvanın yerini belirtme işlevine sahip olduğunu gösterebiliriz. Ve pek çok farklı nörondan kayıt alırsak, hayvan farklı bölgelere gittiğinde farklı nöronların sinyal yolladığını görürüz. Bu kare kutuda görüldüğü gibi. Bunlar hep birlikte beynin geri kalanı için bir harita oluşturup, beyne sürekli olarak, "Şu an çevremde neredeyim?" diye sorar.
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.
Yer-yön hücrelerine insanlarda da rastlanır. Epilepsi hastalarının bazen beyinlerindeki elektriksel aktivitenin izlenmesine ihtiyacı olur. Bu hastalardan bazıları, küçük bir şehirde araba kullandıkları bir bilgisayar oyunu oynadılar. Hipokamptaki "yer-yön hücreleri" hastalar ne zaman o şehrin belli bir bölgesinden geçse, ateşlenir, aktif hale geçer ve elektriksel akım yollamaya başlarlar.
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.
Peki nasıl oluyor da bir "yer-yön hücresi" bir farenin veya kişinin çevresinde nerede olduğunu biliyor? Buradaki iki hücre bize göstermektedir ki, ortamın sınırları bilhassa önemlidir. Yukarıdaki hücre, farenin bulunduğu kutunun iki duvarı arasındaki orta kısımlarda ateşlenmeyi seviyor. Kutuyu genişlettiğiniz zaman, ateşlendiği alan da genişliyor. Alttaki örnekte, hücre, ne zaman güneye yakın duvar varsa ateşlenmeyi seviyor. Ve eğer kutunun içerisine başka bir duvar koyarsanız, o zaman hücre, hayvan kutuda keşif yaparken güneye doğru duvar olan her iki yerde de ateşleniyor. Bu, etrafınızdaki sınırların yön ve uzaklıklarının, binalar boyunca uzanan fiziksel engellerin konumunun, hipokamp için ne kadar önemli olduğunu öngörüyor. Gerçekten de hipokampın girdilerinde, hipokampa bilgi taşıyan hücreler bulunmuştur. Bu bilgiler tam olarak sıçan ya da farenin etrafı keşfederken algıladığı belirli uzaklıktaki ve yönlerdeki sınırlara ve köşelere karşılık gelir.
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.
Soldaki hücrede gördüğünüz gibi, hayvan ne zaman doğu yönündeki bir duvara veya sınıra yaklaşsa, ister kare bir kutunun köşesi veya duvarı olsun ister küresel bir kutunun küresel duvarı hatta ve hatta bir masanın tam köşesinde, düşme noktasında koşuyor olsa bile ateşlenir. Ve sağda gördüğünüz hücre ne zaman güneye doğru bir sınır varsa, ister masanın tam kenarında olsun, ister birbirinin arasında az boşluk bulunan iki masa olsun, yine de ateşlenir. Bu Yer-Yön hücrelerinin, hayvan etrafta keşif yaparken tam olarak nerede olduğu kararını vermesinin açıklamasıdır.
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.
Ayrıca objelerin nerede olduğunu düşünerek test edebiliriz, gördüğünüz basit bir ortamdaki bayrak gibi veya arabanızın konumu gibi. Yani bir grup insanı, bir ortamı keşife çıkartıp onlara hatırlamaları gereken yeri gösterebiliriz. Ve sonra aynı ortama bırakırsak, bayrak veya araba gibi hatırlamaları gereken yeri genellikle bulup işaretlemekte başarılı oluyorlar. Ancak bazı deneylerde, ortamın şeklini ve boyutunu, yer hücresindeki gibi değiştirebiliriz.
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.
Bu durumda görüyoruz ki; bayrağın yer değişikliğini, ortamın şekil ve boyutundaki değişiklik gibi düşünüyorlar. Ve burda gördüğünüz gibi eğer bayrak, çarpının bulunduğu küçük kare ortamda olsaydı ve insanlara nerede bulunduğu sorulsaydı fakat insanlardan habersiz ortamı da büyütmüş olsaydık, konum hücresi ateşlemesinin uzaması gibi bayrağın da uzadığını düşüneceklerdi. O aynen, bayrağın nerede olduğunu hatırlamana benzer. Bir mekanda, konum hücrelerinin arasındaki ateşleme desenini kaydedip, daha önce kaydedilmiş olan bir ateşleme desenine eşleştirme sonucunda, o konuma geri dönebilirsin. Bu, seni hatırlamak istediğin konuma geri götürür.
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.
Fakat biz nerede hareketli olduğumuzu da hatırlarız. Böylece eğer bir yere park edip uzaklaşırsak, kendi yaptığımız hareketleri bildiğimizden, kabaca bu yolu geri dönmek için hangi yönde ilerlemek gerektiğini bulabiliriz. Ve konum hücreleri bu tip bir yol entegrasyonu girdisini kılavuz hücresi denilen bir çeşit hücreden alırlar.
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.
Kılavuz hücreleri hipokampüsün girişlerinde bulunur ve onlar konum hücrelerine benzerler. Fakat şimdi, fare çevreyi araştırdıkça, düzenli şaşırtıcı üçgen bir kılavuzda, bir dizi farklı konum içinde, her bir bireysel hücresi ateşlenir. Ve eğer farklı renklerle gösterilen çeşitli kılavuz hücrelerinden kayıt yaparsan, her biri ortamda kılavuz benzeri bir desene sahiptir ve her hücrenin kılavuz benzeri ateşleme deseni diğer hücrelere göre biraz kaymıştır. O zaman, kırmızı olan, bu kılavuza ateşlenir. Yeşil olan buraya ve mavi olan da buraya.
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.
Öyle ki, fare ortama, ateşleme konumlarının sanal bir kılavuzunu koyabilir. Bu, haritadaki enlem boylam çizgilerine biraz benzer fakat üçgenler kullanır. Ve o, çevrede hareket ederken, elektriksel aktivite, bir hücreden diğerine geçebilir. Bu şekilde nerede olduğunun kaydını kendi hareketlerini kullanarak tutabilir.
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.
İnsanların da kılavuz hücreleri var mıdır? Tüm kılavuz benzeri ateşleme desenleri aynı simetri eksenine sahip olduğu için aynı kılavuz oryantasyonları turuncuyla gösterilmiştir. Bu, beynin belirli bir bölgesindeki ağ aktivitesinin değişmesi gerektiği anlamına gelir. Altı yöne birden koşuyor olsak da bu altı yönden birine koşuyor olsak da bu böyledir. Öyleyse, insanlara bir MR tarayıcı yerleştirip, onlara biraz oyun oynatabiliriz. Size daha önce gösterdiğim gibi. Bu sayede sinyalleri inceleyebiliriz. Gerçekten de farelerde gördüğünüz kılavuz hücrelerini, beynin aynı bölümü olan, insanın entorhinal korteksinde de görürsünüz.
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.
Homer'a geri dönelim. O, arabasının nerede olduğunu, parkettiği yerin etrafında uzanan binaları ve sınırları, mesafeler ve yönler bakımından muhtemelen hatırlamaktadır. Ve bu sınır belirleyen hücrelerin ateşlenmesiyle temsil edilir. O aynı zamanda, kılavuz hücrelerinin ateşlenmesiyle temsil edilen, araba parkından çıktığı yolu hatırlıyor. Şimdi bu tür hücrelerin ikisi de konum hücrelerini ateşleyebilir. Ve o, beynindeki konum hücrelerinin, arabasını parkettiği yerde kaydettiği desenle, o anki ateşleme deseninin en iyi eşleştiği yeri bulmak için hareket ederek park ettiği yere geri dönebilir. Ve şu, arabasının gerçekten orda olup olmaması gibi görsel ipuçlarına bakılmaksızın, ona şu konuma geri gitmesi için rehber olur. Belki araç çekilmiştir. Fakat o nerde olduğunu biliyordu. Böylece gidip alabilir.
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.
Mekansal hafızanın ötesinde, Eğer tüm beyindeki kılavuz benzeri ateşleme desenine bakarsak hangisinin daima aktif olduğunu tüm otobiyografik hafıza görev çeşitlerini yaparken bir seri konum içinde görebiliriz Örneğin en son ne zaman bir düğüne gittiğini hatırlamak gibi. Öyleyse, çevremizdeki boşluğu temsil etmeye yarayan doğal mekanizmalar sayesinde, başımıza gelmiş olayları hayal ettiğimizde, mekansal görüntüyü tekrar yaratabiliriz.
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.
Öyleyse eğer bu oluyorsa, konum hücreleri bakış açınız çevresindeki mekansal yapının manzarasını yaratmak için yoğun bağlantıları sayesinde birbirlerini ve daha sonra sınır hücreleri aktive ederler. Kılavuz hücreleri, bu bakış açısını şu boşlukta hareket ettirebilirdi. Henüz bahsetmediğim başka bir hücre tipi, kafa yönü hücreleri. Yönünüze bağlı olarak, pusula gibi ateşlenirler. Yaratmak istediğiniz sanal görüntülerin bir resminden bakış yönünü tanımlayabilirler. Böylece o düğünde ne olduğunu hayal edebilirsin.
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.
Bu sadece beynimizi oluşturuan milyarlarca bireysel nöronun hareketleri açısından bizim nasıl hatırladığımız ve nasıl hayal kurduğumuz gibi psikolojik işlemleri anlamaya başladığımız yeni dönem bilişsel nöro bilimdeki bir örneği.
Thank you very much.
Çok teşekkür ederim.
(Applause)
(Alkışlar)