Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Neil Burgess: Wie Ihr Gehirn Ihnen sagt, wo Sie sind

Übersetzung: Juan Lobeto Lektorat: Judith Matz

When we park in a big parking lot,

Wenn wir auf einen großen Parkplatz parken,

how do we remember where we parked our car?

wie erinnern wir uns, wo wir unser Auto geparkt haben?

Here's the problem facing Homer.

Hier wird Homer mit diesem Problem konfrontiert.

And we're going to try to understand

Und wir werden versuchen zu verstehen,

what's happening in his brain.

was in seinem Gehirn vorgeht.

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

Wir beginnen mit dem Hippocampus, hier in gelb dargestellt,

which is the organ of memory.

er ist das Gedächtnisorgan.

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

Falls er beschädigt ist, was bei Alzheimer der Fall ist,

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

können Sie sich nicht länger erinnern, z.B. daran, wo Ihr Auto steht.

It's named after Latin for "seahorse,"

Es ist nach dem lateinischen Wort für "Seepferdchen",

which it resembles.

dem es ähnelt, benannt.

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

Und wie der Rest des Gehirns besteht er aus Nervenzellen.

So the human brain

Das menschliche Gehirn enthält

has about a hundred billion neurons in it.

ungefähr hundert Milliarden Nervenzellen.

And the neurons communicate with each other

Und die Nervenzellen kommunizieren miteinander,

by sending little pulses or spikes of electricity

indem sie einander kleine elektrische Impulse

via connections to each other.

über ihre Verbindungsstellen senden.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

Der Hippocampus besteht aus zwei Zellblättern,

which are very densely interconnected.

welche sehr dicht miteinander verbunden sind.

And scientists have begun to understand

Und Wissenschaftler haben angefangen zu verstehen,

how spatial memory works

wie das räumliche Gedächtnis funktioniert,

by recording from individual neurons

indem sie die Daten von einzelnen Nervenzellen

in rats or mice

von Ratten oder Mäusen,

while they forage or explore an environment

während sie eine Umgebung erforschen oder nach Nahrung

looking for food.

stöbern, aufzeichneten.

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

Wir werden uns vorstellen, dass wir die Daten einer einzelnen Nervenzelle

in the hippocampus of this rat here.

im Hippocampus dieser Ratte hier aufzeichnen.

And when it fires a little spike of electricity,

Und wenn sie einen kleinen elektrischen Impuls abfeuert,

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

wird es einen roten Punkt und einen Klick geben.

So what we see

Wir sehen also,

is that this neuron knows

dass diese Nervenzelle weiß,

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

wann sich die Ratte an einen bestimmten Ort in ihrer Umgebung begeben hat.

And it signals to the rest of the brain

Und sie meldet es dem restlichen Gehirn,

by sending a little electrical spike.

indem sie einen kleinen elektrischen Impuls sendet.

So we could show the firing rate of that neuron

Wir konnten also nachweisen, dass die Feuerrate dieser Nervenzelle

as a function of the animal's location.

dem Tier zum Orten dient.

And if we record from lots of different neurons,

Zeichnen wir Daten von vielen verschiedenen Nervenzellen auf,

we'll see that different neurons fire

sehen wir, dass unterschiedliche Zellen feuern,

when the animal goes in different parts of its environment,

wenn sich das Tier in andere Teile seiner Umgebung begibt,

like in this square box shown here.

wie man in dieser quadratischen Schachtel sieht.

So together they form a map

Zusammen bilden sie also eine Karte

for the rest of the brain,

für das restliche Gehirn,

telling the brain continually,

welche dem Gehirn fortwährend ankündigt,

"Where am I now within my environment?"

"Wo befinde ich mich nun in meiner Umgebung?"

Place cells are also being recorded in humans.

Man zeichnet ebenfalls die Daten von menschlichen Platzzellen auf.

So epilepsy patients sometimes need

Epileptiker brauchen manchmal

the electrical activity in their brain monitoring.

die elektrische Aktivität bei ihrer Gehirnüberwachung.

And some of these patients played a video game

Und einige dieser Patienten spielten ein Videospiel,

where they drive around a small town.

in dem sie in einer kleinen Stadt herumfahren.

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

Und Platzzellen in ihren Hippocampi feuerten, wurden aktiv und

start sending electrical impulses

begannen elektrische Impulse zu senden,

whenever they drove through a particular location in that town.

immer wenn sie an einer bestimmten Stelle im Städtchen vorbeifuhren.

So how does a place cell know

Wie kann eine Platzzelle wissen,

where the rat or person is within its environment?

wo innerhalb ihrer Umgebung sich die Ratte oder die Person befindet?

Well these two cells here

Nun, diese zwei Zellen hier

show us that the boundaries of the environment

zeigen uns, dass die Grenzen der Umgebung

are particularly important.

besonders wichtig sind.

So the one on the top

Die obere feuert gern

likes to fire sort of midway between the walls

genau zwischen den Wänden der Schachtel,

of the box that their rat's in.

in der sich die Ratte befindet.

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

Und wenn man die Schachtel vergrößert, vergrößert sich der Schussradius.

The one below likes to fire

Die untere feuert gerne jedes Mal,

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

wenn sich eine Wand nahe im Süden befindet.

And if you put another wall inside the box,

Und falls Sie eine andere Wand in die Schachtel stellen,

then the cell fires in both place

feuert die Zelle an beiden Stellen,

wherever there's a wall to the south

immer wenn sich im Süden eine Wand befindet,

as the animal explores around in its box.

während das Tier die Schachtel erforscht.

So this predicts

Dies legt nahe,

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

dass es ziemlich wichtig ist für den Hippocampus,

extended buildings and so on --

die Abstände und Richtungen der Grenzen rundherum,

is particularly important for the hippocampus.

verbreitete Gebäude und so weiter, abzutasten.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

An den Eingängen des Hippocampus findet man tatsächlich

cells are found which project into the hippocampus,

Zellen, die in den Hippocampus hineinprojizieren,

which do respond exactly

die genau reagieren

to detecting boundaries or edges

beim Wahrnehmen von Grenzen oder Kanten

at particular distances and directions

in einem bestimmten Abstand und Richtung

from the rat or mouse

zur Ratte oder zur Maus,

as it's exploring around.

wenn sie die Umgebung erforscht.

So the cell on the left, you can see,

Deshalb können Sie bei der Zelle links sehen,

it fires whenever the animal gets near

dass sie jedes Mal feuert, wenn sich das Tier

to a wall or a boundary to the east,

einer Wand oder einer Abgrenzung Richtung Osten nähert,

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

sei es die Ecke oder die Wand einer quadratischen Schachtel,

or the circular wall of the circular box

sei es eine kreisförmige Wand einer runden Schachtel,

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

oder sogar der Rand einer Tischkante, auf dem die Tiere herumlaufen.

And the cell on the right there

Und die Zelle hier rechts

fires whenever there's a boundary to the south,

feuert jedes Mal, wenn eine Abgrenzung Richtung Süden kommt,

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

sei es der Rand einer Tischkante oder eine Wand,

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

oder sogar der Abstand zwischen zwei Tischen, die auseinandergezogen wurden.

So that's one way in which we think

Das ist also eine Theorie, wie Platzzellen

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

die Position des Tieres feststellen, während es erforscht.

We can also test where we think objects are,

Wir können auch überprüfen, wo wir ein Objekt in einfachen

like this goal flag, in simple environments --

Umgebungen vermuten, etwa diese Zielfahne –

or indeed, where your car would be.

oder natürlich die Position Ihres Autos.

So we can have people explore an environment

Daher können wir Leute eine Umgebung erforschen

and see the location they have to remember.

und den Ort sehen lassen, an den sie sich erinnern müssen.

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

Und dann, wenn wir sie wieder in die Umgebung bringen,

generally they're quite good at putting a marker down

sind sie generell ziemlich gut, wenn es darum geht festzustellen,

where they thought that flag or their car was.

die Position der Flagge oder des Autos zu orten.

But on some trials,

Aber in einigen Versuchen

we could change the shape and size of the environment

könnten wir die Form und Größe der Umgebung verändern,

like we did with the place cell.

so wie wir es mit der Platzzelle gemacht haben.

In that case, we can see

In diesem Fall können wir sehen,

how where they think the flag had been changes

wie sich die vermutete Position der Fahne in Abhängigkeit

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

einer veränderten Form und Größe der Umgebung verändert.

And what you see, for example,

Hier sehen Sie zum Beispiel,

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

wenn sich die Flagge an der Position des Kreuzes in einer kleinen Umgebung befand,

and then if you ask people where it was,

und dann fragen Sie Leute nach ihrer Position,

but you've made the environment bigger,

haben aber die Umgebung vergrößert,

where they think the flag had been

dann dehnt sich ihre Vermutung

stretches out in exactly the same way

über die Position der Flagge im selben Maße aus

that the place cell firing stretched out.

wie sich die feuernde Platzzelle ausgedehnt hat.

It's as if you remember where the flag was

Es ist, als ob Sie sich an die ursprüngliche Position der Fahne erinnern,

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

indem Sie das Feuermuster von allen Platzzellen

at that location,

an diesem Ort gespeichert haben,

and then you can get back to that location

und dann können Sie an den Ort zurückkehren,

by moving around

indem Sie sich so lange umherbewegen,

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

bis das aktuelle Feuermuster Ihrer Platzzellen

with that stored pattern.

dem gespeicherten so gut wie möglich entspricht.

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

Dies leitet Sie zurück an die Stelle, an die Sie sich erinnern wollen.

But we also know where we are through movement.

Aber wir können auch anhand unserer Bewegung unsere Position bestimmen.

So if we take some outbound path --

Wenn wir also den Ort verlassen –

perhaps we park and we wander off --

vielleicht stellen wir das Auto ab und laufen ein Stück –

we know because our own movements,

dann wissen wir dank unseren eigenen Bewegungen,

which we can integrate over this path

mit denen wir diesen Pfad gliedern können, ungefähr,

roughly what the heading direction is to go back.

welche Richtung wir für den Rückweg nehmen müssen.

And place cells also get this kind of path integration input

Und die Platzzellen erhalten diese Art Weggliederung auch

from a kind of cell called a grid cell.

von einer Art von Zelle, die man Gitterzelle nennt.

Now grid cells are found, again,

Nun, Gitterzellen findet man

on the inputs to the hippocampus,

an den Eingängen des Hippocampus,

and they're a bit like place cells.

und sie ähneln den Platzzellen ein wenig.

But now as the rat explores around,

Aber wenn nun die Ratte herumforscht,

each individual cell fires

feuert jede individuelle Zelle

in a whole array of different locations

in einem ganzen Bereich verschiedener Stellen,

which are laid out across the environment

die sich in der Umgebung befinden,

in an amazingly regular triangular grid.

in einen verblüffend regelmäßigen, dreieckigen Gitter.

And if you record from several grid cells --

Und falls Sie die Daten von mehreren Gitterzellen,

shown here in different colors --

hier in verschiedenen Farben dargestellt, aufzeichnen,

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

hat jede ein gitterartiges Feuermuster für die ganze Umgebung,

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

und das Muster jeder Zelle weist minimale Änderungen

relative to the other cells.

zu denen der anderen Zellen auf.

So the red one fires on this grid

So feuern die roten in diesem Gitter

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

und die grünen in diesen und die blauen in diesem.

So together, it's as if the rat

Zusammen ist es so, als ob eine Ratte

can put a virtual grid of firing locations

ein virtuelles Gitter von Feuerpunkten

across its environment --

in ihrer Umgebung aufstellen kann,

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

so wie die Breiten- und Längengrade, die man auf einer Karte

but using triangles.

finden kann, aber eben mit Dreiecken.

And as it moves around,

Und wenn die Ratte sich umherbewegt,

the electrical activity can pass

kann die elektrische Tätigkeit von

from one of these cells to the next cell

einer dieser Zellen zur nächsten Zelle gelangen

to keep track of where it is,

und den Überblick über den Aufenthaltsort behalten,

so that it can use its own movements

so dass sie ihre eigene Bewegungen benutzen kann,

to know where it is in its environment.

um sich in ihrer Umgebung zu verorten.

Do people have grid cells?

Besitzen Menschen Gitterzellen?

Well because all of the grid-like firing patterns

Nun, da alle diese gitterartigen Feuermuster

have the same axes of symmetry,

die gleichen Symmetrieachsen,

the same orientations of grid, shown in orange here,

die gleiche Gitterorientierung, hier in orange dargestellt, haben,

it means that the net activity

bedeutet dies, dass die reine Aktivität

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

all dieser Gitterzellen sich in einer bestimmten Stelle des Gehirns

should change

ändern sollte,

according to whether we're running along these six directions

je nachdem, ob wir eine dieser sechs Richtungen nehmen,

or running along one of the six directions in between.

oder eine der sechs Richtungen dazwischen.

So we can put people in an MRI scanner

Folglich können wir von Menschen ein MRT machen,

and have them do a little video game

während sie ein kleines Videospiel spielen,

like the one I showed you

wie das, das ich Ihnen gezeigt habe,

and look for this signal.

und warten auf das Signal.

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

Und tatsächlich, man sieht es in ihrer entorhinalen Hirnrinde,

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

die dem Teil des Gehirns entspricht, wo sich bei den Ratten die Gitterzellen befinden.

So back to Homer.

Nun zurück zu Homer.

He's probably remembering where his car was

Er ist vermutlich dabei, sich zu erinnern, wo sein Auto steht,

in terms of the distances and directions

in Bezug auf die Abstände und Richtungen

to extended buildings and boundaries

zu Gebäuden und Grenzen,

around the location where he parked.

die sich rund um die Stelle, wo er geparkt hat, befinden.

And that would be represented

Und dies würde dargestellt werden durch

by the firing of boundary-detecting cells.

das Feuern der Grenzortungszellen.

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

Er erinnert sich auch an den Weg, auf dem er den Parkplatz verließ,

which would be represented in the firing of grid cells.

was man durch das Feuern der Gitterzellen darstellen würde.

Now both of these kinds of cells

Nun, diese beide Arten von Zellen

can make the place cells fire.

können die Platzzellen zum Feuern bringen.

And he can return to the location where he parked

Und er kann zur Stelle zurückkehren, wo er geparkt hat,

by moving so as to find where it is

indem er sich so bewegt,

that best matches the firing pattern

dass das aktuelle Feuermuster der Platzzellen

of the place cells in his brain currently

in seinem Gehirn mit dem gespeicherten Muster,

with the stored pattern where he parked his car.

das beim Parken des Autos entstand, übereinstimmt.

And that guides him back to that location

Und dies führt ihn zurück zu dieser Stelle,

irrespective of visual cues

ungeachtet von visuellen Hinweisen,

like whether his car's actually there.

wie ob das Auto wirklich dort ist.

Maybe it's been towed.

Vielleicht wurde es abgeschleppt.

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

Aber er weiß, wo es war, und so weiß er, wie er es wiedererlangen kann.

So beyond spatial memory,

Jenseits des räumlichen Gedächtnisses also

if we look for this grid-like firing pattern

können wir nach gitterartigen Feuermustern

throughout the whole brain,

im ganzen Gehirn suchen.

we see it in a whole series of locations

Wir können sie in einer Reihe von Orten sehen,

which are always active

die beim Verrichten autobiografischer

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

Gedächtnisaufgaben aller Art ständig aktiv sind,

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

wie etwa sich daran zu erinnern, wann man zuletzt auf einer Hochzeit war.

So it may be that the neural mechanisms

Also könnte es sein, dass die Neuromechanismen,

for representing the space around us

die den uns umgebenden Raum darstellen,

are also used for generating visual imagery

ebenfalls zum Erzeugen einer Visualisierung verwendet werden,

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

damit wir zumindest die räumliche Komponente unserer

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

Erlebnisse wiederherstellen können, wenn wir uns sie vorstellen.

So if this was happening,

Wenn das geschähe,

your memories could start by place cells activating each other

könnten sich Platzzellen gegenseitig aktivieren

via these dense interconnections

durch diese dichten Vernetzungen,

and then reactivating boundary cells

und dann würden sie die Grenzzellen reaktivieren,

to create the spatial structure

um die Flächenstrukturen des Erlebnisses

of the scene around your viewpoint.

rund um Ihren Standpunkt zu formen.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

Und die Gitterzellen könnten den Standpunkt durch den Raum bewegen.

Another kind of cell, head direction cells,

Eine andere Art von Zelle, die Kopfbewegungszelle,

which I didn't mention yet,

die ich noch nicht erwähnt hatte,

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

feuert wie ein Kompass, je nachdem, in welche Richtung man schaut.

They could define the viewing direction

Die Zellen könnten die Blickrichtung bestimmen,

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

von der aus Sie ein Bild zur Visualisierung erzeugen wollen,

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

so dass Sie sich z. B. vorstellen können, was damals auf der Hochzeit passierte.

So this is just one example

Das ist aber nur ein Beispiel

of a new era really

von einer neuen Ära

in cognitive neuroscience

in der kognitiven Neurowissenschaft,

where we're beginning to understand

wo wir langsam anfangen, die psychologischen

psychological processes

Vorgänge zu verstehen:

like how you remember or imagine or even think

wie man sich erinnert, sich etwas vorstellt, oder einfach denkt,

in terms of the actions

und welche Funktionen dabei die

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

Milliarden einzelner Nervenzellen, aus denen unser Gehirn besteht, erfüllen.

Thank you very much.

Vielen Dank.

(Applause)

(Applaus)