Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Translator: Zornitsa Savcheva Reviewer: Anton Hikov

When we park in a big parking lot,

Как запомняме къде сме паркирали колата си,

how do we remember where we parked our car?

когато паркираме на голям паркинг?

Here's the problem facing Homer.

Този проблем стои пред Хоумър.

And we're going to try to understand

А ние ще се опитаме да разберем

what's happening in his brain.

какво се случва в мозъка му.

So we'll start with the hippocampus, shown in yellow,

Ще тръгнем от хипокампуса, показан в жълто,

which is the organ of memory.

който е органът на паметта.

If you have damage there, like in Alzheimer's,

Ако е увреден, както при болестта на Алцхаймер,

you can't remember things including where you parked your car.

не можете да запомняте неща, включително къде сте паркирали колата си.

It's named after Latin for "seahorse,"

Името му идва от латинската дума

which it resembles.

за "морско конче", на което той прилича.

And like the rest of the brain, it's made of neurons.

Както и останалата част от мозъка, той се състои от неврони.

So the human brain

Човешкият мозък

has about a hundred billion neurons in it.

е изграден от около сто милиарда неврона.

And the neurons communicate with each other

А те комуникират един с друг,

by sending little pulses or spikes of electricity

като изпращат слаби импулси или

via connections to each other.

вълни електричество чрез връзки помежду си.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

Хипокампусът е изграден от два слоя клетки,

which are very densely interconnected.

между които има множество връзки.

And scientists have begun to understand

Учените са започнали да разбират

how spatial memory works

как работи пространствената памет,

by recording from individual neurons

като са записали активността на отделни неврони

in rats or mice

при плъхове или мишки,

while they forage or explore an environment

докато те претърсват или изучават

looking for food.

дадена среда, търсейки храна.

So we're going to imagine we're recording from a single neuron

Нека си представим, че записваме активността

in the hippocampus of this rat here.

на един единствен неврон в хипокампуса на този плъх тук.

And when it fires a little spike of electricity,

Когато той изпрати импулс електричество,

there's going to be a red dot and a click.

ще се появи червена точка и щракване.

So what we see

Виждаме,

is that this neuron knows

че този неврон реагира всеки път,

whenever the rat has gone into one particular place in its environment.

когато плъхът отиде на определено място в заобикалящата го среда.

And it signals to the rest of the brain

И сигнализира за това на останалата част от мозъка,

by sending a little electrical spike.

като изпраща малки импулси електричество.

So we could show the firing rate of that neuron

Следователно можем да изразим честотата на активиране на този неврон

as a function of the animal's location.

като функция от местоположението на животното.

And if we record from lots of different neurons,

А ако запишем активността на множество отделни неврони,

we'll see that different neurons fire

ще видим, че всеки от тях изпраща импулси,

when the animal goes in different parts of its environment,

когато животното се намира на определено място в средата си,

like in this square box shown here.

както личи от тези квадрати.

So together they form a map

Така заедно те създават карта

for the rest of the brain,

за останалата част от мозъка,

telling the brain continually,

която постоянно му казва:

"Where am I now within my environment?"

"Къде се намирам в момента спрямо заобикалящата ме среда?"

Place cells are also being recorded in humans.

Клетки за местоположение са открити и при хората.

So epilepsy patients sometimes need

Понякога болните от епилепсия се нуждаят

the electrical activity in their brain monitoring.

от наблюдение на електрическата активност на мозъка им.

And some of these patients played a video game

Някои от тези пациенти играли видео игра,

where they drive around a small town.

при която шофират из малко градче.

And place cells in their hippocampi would fire, become active,

Клетките за местонахождение в хипокампуса им се активирали,

start sending electrical impulses

започвали да изпращат електрически импулси,

whenever they drove through a particular location in that town.

всеки път, когато те минавали през определено място в този град.

So how does a place cell know

Но как клетката за местоположение разбира

where the rat or person is within its environment?

къде в средата си се намира плъхът или човекът?

Well these two cells here

Ами, ето тези две клетки

show us that the boundaries of the environment

ни показват, че границите на средата

are particularly important.

са от особено значение.

So the one on the top

Горната обича да изпраща импулси

likes to fire sort of midway between the walls

някъде по средата между стените на кутията,

of the box that their rat's in.

в която се намира плъхът.

And when you expand the box, the firing location expands.

А разширим ли кутията, районът на активиране на клетката също се увеличава.

The one below likes to fire

Тази отдолу изпраща импулси всеки път,

whenever there's a wall close by to the south.

когато има стена наблизо от юг.

And if you put another wall inside the box,

И ако поставите друга преграда в кутията,

then the cell fires in both place

тогава клетката се активира и на двете места --

wherever there's a wall to the south

винаги когато, обикаляйки из кутията,

as the animal explores around in its box.

животното среща преграда от юг.

So this predicts

От това можем да предположим, че усещането

that sensing the distances and directions of boundaries around you --

за разстоянията и посоките до преградите около нас --

extended buildings and so on --

редици сгради и прочие --

is particularly important for the hippocampus.

е от особено значение за хипокампуса.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

И наистина, при изследване на входящата информация към хипокампуса

cells are found which project into the hippocampus,

са открити клетки, които комуникират с него,

which do respond exactly

и реагират именно при регистрирането

to detecting boundaries or edges

на преграда или граница

at particular distances and directions

на определено разстояние и посока

from the rat or mouse

от плъха или мишката,

as it's exploring around.

докато те изучават средата си.

So the cell on the left, you can see,

Както виждате, клетката вляво

it fires whenever the animal gets near

изпраща импулс винаги, когато животното доближи

to a wall or a boundary to the east,

стена или преграда от изток,

whether it's the edge or the wall of a square box

независимо дали това е ръбът или стената на квадратна кутия

or the circular wall of the circular box

или облата стена на обла кутия,

or even the drop at the edge of a table, which the animals are running around.

или дори ръбът на края на маса, по която животните тичат.

And the cell on the right there

А клетката вдясно ей там

fires whenever there's a boundary to the south,

реагира всеки път, когато срещне препятствие от юг,

whether it's the drop at the edge of the table or a wall

независимо дали това е ръбът на масата или стена,

or even the gap between two tables that are pulled apart.

или дори празното пространство между две маси.

So that's one way in which we think

Това е един от начините, по които смятаме,

place cells determine where the animal is as it's exploring around.

че клетките за местоположение определят къде се намира животното.

We can also test where we think objects are,

Можем да тестваме и къде смятаме, че се намира даден обект,

like this goal flag, in simple environments --

като това флагче например, в не сложни среди --

or indeed, where your car would be.

или направо -- къде би могла да е колата ви.

So we can have people explore an environment

Така можем да накараме някого да разучи дадена среда

and see the location they have to remember.

и да запомни определено място.

And then, if we put them back in the environment,

Ако след това го върнем в тази среда,

generally they're quite good at putting a marker down

обикновено той сравнително лесно може да отбележи

where they thought that flag or their car was.

къде смята, че е било флагчето или колата.

But on some trials,

Но при някои опити

we could change the shape and size of the environment

можем да променим формата или размерите на средата,

like we did with the place cell.

както направихме при клетките за местоположение.

In that case, we can see

Тогава виждаме как представата им

how where they think the flag had been changes

за това къде е било флагчето се променя

as a function of how you change the shape and size of the environment.

спрямо изменението на формата и размерите на средата.

And what you see, for example,

Например, ако флагчето е било

if the flag was where that cross was in a small square environment,

на мястото на този хикс в малка квадратна среда

and then if you ask people where it was,

и след това попитате хората къде е било,

but you've made the environment bigger,

след като обаче сте разширили средата,

where they think the flag had been

предполагаемото му според тях място

stretches out in exactly the same way

се разширява точно по същия начин,

that the place cell firing stretched out.

по който се разшири и активирането на клетките за местоположение.

It's as if you remember where the flag was

Сякаш помним къде е било флагчето като запаметяваме

by storing the pattern of firing across all of your place cells

модела на активиране на всички клетки за местоположение

at that location,

на това определено място

and then you can get back to that location

и след това се връщаме на него,

by moving around

движейки се, така че

so that you best match the current pattern of firing of your place cells

настоящият модел на активиране да пасне

with that stored pattern.

по възможно най-добър начин със запаметения модел.

That guides you back to the location that you want to remember.

Това ни напътства обратно към мястото, което сме искали да запомним.

But we also know where we are through movement.

Друг начин, по който разбираме къде сме, е чрез движение.

So if we take some outbound path --

Ако например се отдалечаваме от дадена точка --

perhaps we park and we wander off --

да кажем, че сме паркирали и тръгваме нанякъде --

we know because our own movements,

на база на движението си по този път,

which we can integrate over this path

което можем да обединим в едно цяло,

roughly what the heading direction is to go back.

придобиваме груба представа коя би била обратната посока.

And place cells also get this kind of path integration input

Клетките за местоположение получават информация за цялостния ни маршрут

from a kind of cell called a grid cell.

от тип клетки, наречени координатни клетки.

Now grid cells are found, again,

Този тип клетки намираме отново

on the inputs to the hippocampus,

да изпращат информация към хипокампуса

and they're a bit like place cells.

и донякъде приличат на клетките за местоположение.

But now as the rat explores around,

Но в този случай, докато плъхът изучава средата си,

each individual cell fires

всяка клетка подава импулси

in a whole array of different locations

в множество различни точки,

which are laid out across the environment

разположени из средата

in an amazingly regular triangular grid.

в удивително правилна триъгълна решетка.

And if you record from several grid cells --

И ако запишем активността на няколко подобни координатни клетки --

shown here in different colors --

показани тук в различни цветове --

each one has a grid-like firing pattern across the environment,

на всяка от тях отговаря един, подобен на решетка, модел на активиране,

and each cell's grid-like firing pattern is shifted slightly

като всяка решетка е леко изместена

relative to the other cells.

спрямо останалите.

So the red one fires on this grid

Следователно червената изпраща импулси съгласно тази решетка,

and the green one on this one and the blue on on this one.

зелената -- спрямо тази, а синята -- спрямо тази.

So together, it's as if the rat

Като цяло изглежда, че плъхът

can put a virtual grid of firing locations

може да разположи в средата си виртуална решетка

across its environment --

от активни точки --

a bit like the latitude and longitude lines that you'd find on a map,

нещо като паралелите и меридианите на географската карта --

but using triangles.

но използвайки триъгълници.

And as it moves around,

И докато се движи наоколо,

the electrical activity can pass

електрическата активност може да преминава

from one of these cells to the next cell

от една клетка към друга

to keep track of where it is,

за да проследява местонахождението му,

so that it can use its own movements

така че животното да използва собствените си движения,

to know where it is in its environment.

за да разбере къде се намира.

Do people have grid cells?

Дали хората имат координатни клетки?

Well because all of the grid-like firing patterns

Тъй като всички решетъчни модели на активност

have the same axes of symmetry,

имат едни и същи оси на симетрия,

the same orientations of grid, shown in orange here,

еднаква ориентация на решетката, показана в оранжево тук,

it means that the net activity

това означава, че мрежовата дейност

of all of the grid cells in a particular part of the brain

на всички координатни клетки в определена част на мозъка

should change

би трябвало да се измени

according to whether we're running along these six directions

в зависимост от това дали тичаме в тези шест посоки

or running along one of the six directions in between.

или в някоя от шестте посоки посредата.

So we can put people in an MRI scanner

Можем да поставим някого в ЯМР скенер

and have them do a little video game

и да го накараме да изиграе кратка видео игра

like the one I showed you

като онази, която ви показах,

and look for this signal.

за да потърсим подобен сигнал.

And indeed, you do see it in the human entorhinal cortex,

И наистина, ще го открием в човешкия енторинален кортекс --

which is the same part of the brain that you see grid cells in rats.

същата част на мозъка, където намираме координатните клетки при плъховете.

So back to Homer.

Сега нека се върнем при Хоумър.

He's probably remembering where his car was

Той може би си спомня къде е била колата му

in terms of the distances and directions

по отношение на разстоянието и посоката

to extended buildings and boundaries

към редиците сгради и преградите

around the location where he parked.

около мястото, където е паркирал.

And that would be represented

И това ще е представено

by the firing of boundary-detecting cells.

от активирането на клетки, засичащи прегради.

He's also remembering the path he took out of the car park,

Той помни също така маршрута си на излизане от паркинга,

which would be represented in the firing of grid cells.

който ще е представен от активирането на координатни клетки.

Now both of these kinds of cells

Всеки от тези два типа клетки

can make the place cells fire.

може да активира клетките за местоположение.

And he can return to the location where he parked

Така той може да се върне до мястото, където е паркирал,

by moving so as to find where it is

като се движи, така че да намери къде настоящият модел

that best matches the firing pattern

на активиране на клетките за местоположение

of the place cells in his brain currently

най-пълно пасва на

with the stored pattern where he parked his car.

запаметения модел на мястото на паркиране.

And that guides him back to that location

Това го насочва обратно към мястото

irrespective of visual cues

независимо от зрителни знаци,

like whether his car's actually there.

като това дали колата му наистина е там.

Maybe it's been towed.

Може да е била вдигната от паяк.

But he knows where it was, so he knows to go and get it.

Но той знае къде е била и може да стигне до нея.

So beyond spatial memory,

Така, ако потърсим

if we look for this grid-like firing pattern

този решетъчен модел на активиране

throughout the whole brain,

в целия мозък,

we see it in a whole series of locations

ще го срещнем на множество места,

which are always active

които са активни винаги, когато

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

мозъкът ни извършва задачи, свързани с паметта,

like remembering the last time you went to a wedding, for example.

например кога за последен път сме били на сватба.

So it may be that the neural mechanisms

Следователно е възможно невронните механизми,

for representing the space around us

отговорни за пространствената ни ориентация,

are also used for generating visual imagery

да се използват също така за създаване на визуални образи,

so that we can recreate the spatial scene, at least,

така че, когато поискаме да си спомним нещо, да можем да пресъздадем поне

of the events that have happened to us when we want to imagine them.

пространствена картина на събитията.

So if this was happening,

Ако това е така, спомените ни се събуждат

your memories could start by place cells activating each other

като клетките за местонахождение се активират взаимно

via these dense interconnections

чрез тези тесни взаимовръзки

and then reactivating boundary cells

и след това на свой ред активират клетките, регистриращи препятствия,

to create the spatial structure

за да създадат пространствената структура

of the scene around your viewpoint.

на сцената около нас.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

А координатните клетки придвижват гледната ни точка в пространството.

Another kind of cell, head direction cells,

Съществува и друг тип клетки, които не споменах --

which I didn't mention yet,

тези, регистриращи посоката напред --

they fire like a compass according to which way you're facing.

те подават импулси като компас в зависимост от това накъде сме обърнати.

They could define the viewing direction

Те могат да определят посоката, от която искаме

from which you want to generate an image for your visual imagery,

да създадем визуален образ, така че да можем

so you can imagine what happened when you were at this wedding, for example.

да си представим какво е станало на онази сватба, например.

So this is just one example

Това е само един пример

of a new era really

от всъщност нова епоха

in cognitive neuroscience

в когнитивната невронаука,

where we're beginning to understand

в която започваме да разбираме

psychological processes

психологичните процеси, като това

like how you remember or imagine or even think

как човек помни или си представя или дори -- мисли

in terms of the actions

от гледна точка на дейността на

of the billions of individual neurons that make up our brains.

милиардите индивидуални неврони, които изграждат нашите мозъци.

Thank you very much.

Много ви благодаря.

(Applause)

(Аплодисменти)