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.
Коли ми лишаємо автомобіль на великому паркувальному майданчику, як ми запам’ятовуємо, де саме його полишили? З подібною проблемою стикається Гомер. І зараз ми спробуємо зрозуміти, що відбувається в його мозку.
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.
Почнемо з гіпокампу, органу пам’яті. Його позначено жовтим. Якщо гіпокамп пошкоджений, як при хворобі Альцгеймера, людина не зможе запам’ятати речей, як от: де вона припаркувалася. Ця ділянка мозку названа латинським відповідником слова «морський коник», якого вона, власне, нагадує. І подібно до інших частин мозку, вона складається з нейронів.
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.
В цьому відділі людського мозку містяться сотні мільярдів нейронів. Нейрони сполучаються, посилаючи один одному слабкі імпульси або викиди струму по нервових волокнах. Гіпокамп утворений двома шарами клітин, щільно пов’язаних одна з одною. Вчені потроху починають розуміти, як працює просторова пам'ять, спостерігаючи та фіксуючи роботу окремих нейронів мозку щурів або мишей, поки ті досліджують територію в пошуках їжі.
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?"
Тепер давайте уявимо, що ми фіксуємо активність окремого нейрону в гіпокампі цього щура прямо тут. І коли виникає електрична активність, запалюється червона лампочка і чується клацання. Що ж ми бачимо? Виходить, цей нейрон знає, коли щур направився в певне місце в цьому середовищі. І цей нейрон сигналізує іншим ділянкам мозку, посилаючи слабкий електричний імпульс. Ми можемо зобразити рівень електричної активності нейрона, як функцію визначення місцезнаходження тварини. Якщо ж ми прослідкуємо за багатьма різними нейронами, то побачимо, що в цих нейронах виникає електрична активність, коли тварина рухається по різних частинах середовища, як відбувається тут, в цій квадратній коробці. Тож разом нейрони формують мапу для інших частин мозку, постійно сповіщаючи мозок,- «В якій частині свого середовища я знаходжусь».
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.
Нейрони місця у людей також були досліджені. Пацієнтам, хворим на епілепсію, не вистачає електричної активності мозку, як виявилось в ході спостережень. Дехто з них грали у відео гру, де вони їздили на автомобілі по невеликому містечку. Нейрони місця в їхніх гіпокампах постійно активізувались та посилали електричні імпульси щоразу, як вони проїжджали повз певне місце в тому містечку.
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.
Тож як нейрон місця визначає, де саме знаходиться щур або людина в межах певного середовища? Ці дві клітини показують, що межі середовища надзвичайно важливі. Ця клітина, зверху, активізується десь посередині, між стінками коробки, в якій знаходиться щур – власник клітини. І, якщо ви збільшуєте межі коробки, то й площа реагування клітини розширюється. Оця знизу активізується, як тільки поблизу, з південної сторони, є стінка. Якщо поставити ще одну стінку в коробку, клітина подаватиме імпульси кожного разу, як тварина рухатиметься по коробці і наближатиметься до будь-якої південної стінки. Отже це доводить, що відчувати відстань та напрямок кордонів навкруги (наприклад, довгі будівлі тощо) - надзвичайно важливо для гіпокампу. На вході в гіпокамп знайдено клітини, які проектуються в гіпокамп, котрий справді реагує саме на визначення кордонів чи меж на певній відстані та в певних напрямках від миші чи щура, коли вони вивчають територію навколо.
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.
Клітина зліва, як ви можете бачити, реагує, як тільки тварина наближується до стіни чи східної межі – чи то край або стіна квадратної коробки, чи то округла стіна круглої коробки, чи, навіть, край столу, де бігає тварина. А клітина справа реагує, як тільки з’являється межа з південної сторони – чи то край столу, чи стіна, або, навіть проміжок між двох столів, поставлених окремо. Ми гадаємо, що це один зі способів, як клітини місця визначають, де саме знаходиться тварина, поки вона рухається в середовищі.
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.
Крім того, ми можемо перевірити свої здогадки про місцезнаходження предметів в простих середовищах, як, наприклад, місцезнаходження прапорця, або вашого автомобіля. Ми можемо вмовити людей дослідити якусь територію та подивитись на місце, яке потрібно запам’ятати. Потім, якщо повернути їх назад у середовище, вони достатньо правильно ставлять позначку, де, на їхню думку, знаходиться прапорець або автомобіль. Під час деяких тестувань ми могли змінити розмір або форму середовища, як це було з нейронами місця.
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.
В такому випадку можна побачити, як вони змінювали положення прапорця, в залежності від зміни форми та розміру середовища. І що ж ви бачите? Наприклад, прапорець знаходився там, де хрестик, в маленькому квадратному середовищі. І якщо запитати людей, де прапорець, попередньо збільшивши розмір середовища, то передбачуване місцезнаходження прапора розширюється прямо пропорційно тому, як розширюється площа реагування нейрону місця. Це ніби ви запам’ятали, де прапорець, зберігаючи модель реакції по всіх ваших нейронах місця саме в тому місцезнаходженні, і потім повернулись до того місця, пересуваючись так, щоб діюча модель реакції ваших нейронів місця якнайкраще збігалась зі збереженою. Це веде вас назад до місця, яке ви хочете запам’ятати.
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.
Проте ми знаємо, де ми, завдяки руху. Якщо рухатись шляхом зовні, наприклад, лишити автомобіль і прогулятись, ми чітко знатимемо по наших власних рухах, інтегруваних на цей шлях, якою дорогою повернутись назад. Нейрони місця також отримують інформацію про такого роду інтегрування за траєкторією від клітин, які називають нейронами решітки.
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.
Нейрони решітки знаходяться також на вході у гіпокамп, і вони трохи схожі на нейрони місця. Коли щур рухається в середовищі, кожна окрема клітина реагує в усій сукупності різних місцезнаходжень, розкиданих по всьому середовищу, що утворюють координатну сітку правильної трикутної форми. Якщо зафіксувати реакцію декількох координатних нейронів (вони позначені тут різними кольорами), то кожен має сіткоподібну модель реакції по всьому середовищу. Сіткоподібна модель реакції кожного нейрона трохи змінюється залежно від інших нейронів. Тож червоний реагує в цій координатній сітці, зелений – в цій, а синій – в цій.
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 разом схоже на те, ніби щур наклав віртуальну координатну сітку місць реагування на все середовище. Це трохи нагадує лінії довготи та широти на мапах, але в нашому випадку використано трикутники. І коли тварина пересувається, електрична активність передається від одного нейрона іншому, зберігаючи шлях пересування, щоб тварина могла використати власні рухи для визначення свого місцеположення в середовищі.
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.
Чи є в людей координатні нейрони? Через те, що всі сіткоподібні моделі реакції мають однакові осі симетрії, однакові орієнтири сітки, позначені тут помаранчевим кольором. Це значить, що чиста активність всіх координатних нейронів в певних ділянках мозку має змінюватись в залежності від того, чи ми проходимо всі ці шість напрямків, чи один з поміж шести напрямків. Можна помістити людину в МРТ сканер, дати погратись в коротку відео гру, схожу на ту, що я вам показував, і чекати цього сигналу. Ви й справді бачите це в енторіальній корі головного мозку людини, яка є такою самою частиною мозку, як нейрони місця у щурів.
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.
Повернемось до Гомера. Він, напевне, пам’ятає, де його автомобіль, крізь призму відстаней та напрямів, довгих будівель та кордонів, в місці, де він припаркувався. Це проявляється через реакцію клітин, які виявляють кордон. Він також пам’ятає шлях, яким ішов з парковки, що проявляється через реакцію нейронів решітки. Обидва типи нейронів можуть змусити нейрони місця реагувати. Він може повернутись до місця, де припаркувався, рухаючись так, аби знайти це місце, що, на даний момент, найточніше підпадає під модель реакції нейронів місця в його мозку, зі збереженою моделлю, де він припаркувався. Це веде його назад до того місця, незалежно від візуальних підказок, як, наприклад, чи справді його автомобіль там. Можливо, його автомобіль відбуксували. Але він знає, де він був, тож знає, як туди дійти.
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.
Поза межами просторової пам’яті, якщо ми шукаємо цю сіткоподібну модель реакції по всьому мозку, ми бачимо її в різних місцях. Вона завжди активна, коли ми виконуємо всі види завдань для автобіографічної пам’яті, наприклад: згадуємо,як останнього разу ходили на весілля. Тож може бути, що нейтральні механізми для відображення простору навкруги нас також використовуються для генерації зорового зразку. Таким чином, ми можемо створювати щонайменше просторову сцену подій, які відбулися з нами, коли ми хочемо їх уявити.
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.
Якщо це відбувалось, Ваші спогади почнуться з того, що нейрони місця активуватимуть один одного через ці щільні поєднання і реактивуватимуть нейрони кордонів, щоб створити просторову структуру сцени навколо вашої точки спостереження. Нейрони решітки можуть рухати цю точку спостереження в тому просторі. Інший тип нейронів, нейрони напрямку голови, які я ще не згадував, реагують, як компас, залежно від напряму, який ви обираєте. Вони можуть визначити напрямок спостереження, з якого ви хочете створити образ для вашого зорового зразку. Тож ви можете уявити, що відбувалось, коли ви були на тому весіллі, наприклад.
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.
Це лише один приклад дійсно нової ери когнітивної нейробіології, де ми лише починаємо розуміти психологічні процеси, подібні тому, як запам’ятовування, уяви чи навіть мислення крізь призму дій мільярдів окремих нейронів, з яких складається наш мозок.
Thank you very much.
Дякую.
(Applause)
(Оплески)