Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Μετάφραση: Aphrodite Constantinou Επιμέλεια: Alexandros Tzaferidis

When we park in a big parking lot,

Όταν σταθμεύουμε σε ένα μεγάλο χώρο στάθμευσης,

how do we remember where we parked our car?

πώς γνωρίζουμε πού σταθμεύσαμε το αυτοκίνητό μας;

Here's the problem facing Homer.

Αυτό είναι ένα πρόβλημα που συνάντησε ο Χόμερ.

And we're going to try to understand

Θα προσπαθήσουμε να καταλάβουμε

what's happening in his brain.

τι συμβαίνει στο μυαλό του.

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

Γι'αυτό, αρχίζουμε με τον ιππόκαμπο, που φαίνεται εδώ με κίτρινο,

which is the organ of memory.

ο οποίος αποτελεί το όργανο της μνήμης.

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

Εάν υπάρξει ζημιά του ιππόκαμπου, όπως με το Αλτσχάιμερ,

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

τότε δεν μπορείτε να θυμηθείτε κάποια πράγματα συμπεριλαμβανομένου και του πού σταθμεύσατε.

It's named after Latin for "seahorse,"

Έχει πάρει το όνομά του από τη λατινική λέξη για το αλογάκι της θάλασσας,

which it resembles.

στο οποίο και μοιάζει.

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

Αποτελείται από νευρώνες, όπως και τα υπόλοιπα μέρη του εγκεφάλου.

So the human brain

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος

has about a hundred billion neurons in it.

έχει περίπου εκατό δισεκατομμύρια νευρώνες.

And the neurons communicate with each other

Οι νευρώνες επικοινωνούν μεταξύ τους

by sending little pulses or spikes of electricity

στέλνοντας μικρούς παλμούς, ηλεκτρικούς παλμούς

via connections to each other.

μέσω των συνδέσμων τους.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

Ο ιππόκαμπος αποτελείται από δύο κυτταρικά στρώματα,

which are very densely interconnected.

τα οποία είναι πολύ στενά διασυνδεδεμένα.

And scientists have begun to understand

Οι επιστήμονες λοιπόν άρχισαν να κατανοούν

how spatial memory works

τον τρόπο λειτουργίας της χωρικής μνήμης

by recording from individual neurons

μελετώντας μεμονωμένους νευρώνες

in rats or mice

σε αρουραίους και ποντίκια

while they forage or explore an environment

κατά την αναζήτηση τροφής ή εξερεύνησης του περιβάλλοντός τους για

looking for food.

ανεύρεση τροφής.

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

Ας φανταστούμε λοιπόν ότι μελετούμε ένα μεμονωμένο νευρώνα

in the hippocampus of this rat here.

του ιππόκαμπου αυτού του αρουραίου.

And when it fires a little spike of electricity,

Όταν στέλνει ένα ηλεκτρικό παλμό,

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

μία κόκκινη κουκκίδα θα εμφανίζεται και ένα κλικ.

So what we see

Αυτό που βλέπουμε λοιπόν

is that this neuron knows

είναι ότι αυτός ο νευρώνας γνωρίζει

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

εάν ο αρουραίος έχει πάει σε ένα συγκεκριμένο μέρος στο περιβάλλον του.

And it signals to the rest of the brain

Και στέλνει σήματα στον υπόλοιπο εγκέφαλο

by sending a little electrical spike.

μέσω ένος μικρού ηλεκτρικού παλμού.

So we could show the firing rate of that neuron

Θα μπορούσαμε λοιπόν να ορίσουμε την αποστολή παλμών από το νευρώνα αυτό

as a function of the animal's location.

ως τη λειτουργία που ορίζει τη θέση του ζώου.

And if we record from lots of different neurons,

Εάν μελετήσουμε διάφορους νευρώνες,

we'll see that different neurons fire

τότε θα δούμε ότι ο κάθε νευρώνας στέλνει σήμα

when the animal goes in different parts of its environment,

όταν το ζώο βρίσκεται σε διαφορετικό μέρο του περιβαλλοντός του,

like in this square box shown here.

όπως φάνηκε και σε αυτό το τετράγωνο κουτί.

So together they form a map

Μαζί λοιπόν σχηματίζουν ένα χάρτη

for the rest of the brain,

για τον υπόλοιπο εγκέφαλο,

telling the brain continually,

λέγοντας συνεχώς στον εγκέφαλο,

"Where am I now within my environment?"

"πού βρίσκομαι τώρα μέσα στο περιβάλλον μου;"

Place cells are also being recorded in humans.

Τα κύτταρα θέσης έχουν παρατηρηθεί και στους ανθρώπους.

So epilepsy patients sometimes need

Γι'αυτό και οι επιληπτικοί χρειάζονται κάποιες φορές

the electrical activity in their brain monitoring.

την ηλεκτρική δραστηριότητα για έλεγχο του εγκεφάλου.

And some of these patients played a video game

Κάποιοι από αυτούς τους ασθενείς έπαιζαν ένα ηλεκτρονικό παιχνίδι

where they drive around a small town.

στο οποίο οδηγούσαν μέσα σε μία μικρή πόλη.

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

Και τα κύτταρα θέσης των ιππόκαμπών τους έστελναν σήματα, ήταν ενεργά,

start sending electrical impulses

έστελναν ηλεκτρικούς παλμούς,

whenever they drove through a particular location in that town.

καθώς περνούσαν μέσα από συγκεκριμένες περιοχές αυτής της πόλης.

So how does a place cell know

Πώς γνωρίζει λοιπόν ένα κύτταρο θέσης

where the rat or person is within its environment?

πού βρίσκεται ο αρουραίος ή το άτομο μέσα στο περιβάλλον του;

Well these two cells here

Αυτά τα δύο κύτταρα εδώ

show us that the boundaries of the environment

μας δείχνουν ότι τα όρια του περιβάλλοντος

are particularly important.

είναι ιδιαιτέρως σημαντικά.

So the one on the top

Το ένα στην κορυφή

likes to fire sort of midway between the walls

στέλνει σήμα περίπου στη μέση των τοιχωμάτων

of the box that their rat's in.

του κουτιού μέσα στο οποίο βρίσκεται ο αρουραίος.

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

Εάν επεκτείνουμε το κουτί, επεκτείνεται και η περιοχή για την οποία αποστέλλεται το σήμα.

The one below likes to fire

Το δεύτερο που βρίσκεται στο κάτω μέρος στέλνει σήμα

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

όταν πλησιάζει σε τοίχωμα στο νότιο μέρος.

And if you put another wall inside the box,

Και εάν τοποθετήσουμε ακόμα ένα τοίχωμα στο εσωτερικό του κουτιού,

then the cell fires in both place

τότε το κύτταρο στέλνει σήμα και για τις δύο θέσεις

wherever there's a wall to the south

όταν υπάρχει τοίχωμα προς τα νότια

as the animal explores around in its box.

καθώς ο αρουραίος εξερευνά το κουτί.

So this predicts

Αυτό λοιπόν ορίζει ότι

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

η αντίληψη των αποστάσεων και της κατεύθυνσης των ορίων γύρω μας,

extended buildings and so on --

των επεκταμένων κτιρίων κτλ,

is particularly important for the hippocampus.

είναι ιδιαιτέρως σημαντική για τον ιππόκαμπο.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

Και πράγματι, στο εσωτερικό του ιππόκαμπου,

cells are found which project into the hippocampus,

βρίσκουμε κύτταρα τα οποία στέλνουν σήμα στον ιππόκαμπο,

which do respond exactly

τα οποία ανταποκρίνονται με ακρίβεια

to detecting boundaries or edges

στον εντοπισμό των ορίων ή των άκρων

at particular distances and directions

σε διάφορες αποστάσεις και κατευθύνσεις

from the rat or mouse

από τον αρουραίο ή το ποντίκι

as it's exploring around.

καθώς αυτά εξερευνούν το περιβάλλον τους.

So the cell on the left, you can see,

Το κύτταρο στα αριστερά λοιπόν, μπορείτε να δείτε,

it fires whenever the animal gets near

στέλνει σήμα όταν το ζώο πλησιάζει

to a wall or a boundary to the east,

σε τοίχωμα ή όριο που βρίσκεται στα ανατολικά,

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

είτε πρόκειται για την άκρη ή το τοίχωμα ενός τετράγωνου κουτιού,

or the circular wall of the circular box

είτε για ένα κυκλικό τοίχωμα ενός κυκλικού κουτιού,

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

ή ακόμα και η σταγόνα στην άκρη του τραπεζιού, γύρω από την οποία γυρνούν τα ζώα.

And the cell on the right there

Το κύτταρο στα δεξιά

fires whenever there's a boundary to the south,

στέλνει σήμα όποτε υπάρχει σύνορο στα νότια,

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

είτε αυτό είναι η σταγόνα στην άκρη του τραπεζιού, είτε ένα τοίχωμα

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

ή ένα κενό μεταξύ των δύο τραπεζιών.

So that's one way in which we think

Αυτός είναι λοιπόν ο ένας τρόπος με τον οποίο πιστεύουμε

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

ότι τα κύτταρα θέσης ορίζουν πού βρίσκεται το ζώο καθώς εξερευνά το χώρο γύρω του.

We can also test where we think objects are,

Μπορούμε επίσης να εξετάσουμε πού νομίζουμε ότι βρίσκονται τα αντικείμενα,

like this goal flag, in simple environments --

όπως αυτή η σημαία στόχου, σε ένα απλό περιβάλλον,

or indeed, where your car would be.

ή ακόμα, πού βρίσκεται το αυτοκίνητό σας.

So we can have people explore an environment

Μπορούμε λοιπόν να βάλουμε άτομα να εξερευνήσουν ένα χώρο

and see the location they have to remember.

και να δούμε τη θέση που πρέπει να θυμούνται.

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

Και τότε, εάν τους βάλουμε ξανά πίσω στο χώρο αυτό,

generally they're quite good at putting a marker down

βλέπουμε ότι γενικά καταφέρνουν να σημειώσουν

where they thought that flag or their car was.

πού νόμιζαν ότι ήταν η σημαία ή το αυτοκίνητό τους.

But on some trials,

Σε κάποιες δοκιμές ωστόσο,

we could change the shape and size of the environment

θα μπορούσαμε να αλλάξουμε το σχήμα και το μέγεθος του περιβάλλοντος

like we did with the place cell.

όπως κάναμε και με το κύτταρο θέσης.

In that case, we can see

Στην περίπτωση αυτή, μπορούμε να δούμε

how where they think the flag had been changes

πώς αλλάζει το πού νόμιζαν ότι είναι η σημαία,

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

ως αποτέλεσμα του πώς αλλάξαμε το σχήμα και το μέγεθος του περιβάλλοντος.

And what you see, for example,

Για παράδειγμα, αυτό που βλέπετε,

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

αν η σημαία ήταν εκεί όπου βρισκόταν και ο σταυρός στο μικρό τετράγωνο χώρο,

and then if you ask people where it was,

και αν ρωτήσετε τον κόσμο πού ήταν η σημαία,

but you've made the environment bigger,

αλλά μεγαλώσετε το χώρο,

where they think the flag had been

η θέση της σημαίας κατά την άποψή τους

stretches out in exactly the same way

επεκτείνεται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο

that the place cell firing stretched out.

που επεκτάθηκε και ο χώρος για τον οποίο στάληκε σήμα από το κύτταρο θέσης.

It's as if you remember where the flag was

Είναι σαν να θυμόσασταν πού βρισκόταν η σημαία

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

αποθηκεύοντας το μοτίβο των σημάτων των κυττάρων θέσης

at that location,

σε αυτό το χώρο,

and then you can get back to that location

και μετά επιστρέφετε στο χώρο αυτό

by moving around

τριγυρνώντας

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

ώστε να βρείτε το μοτίβο αποστολής σήματος από τα κύτταρα θέσης που ταιριάζει καλύτερα με

with that stored pattern.

το αποθηκευμένο μοτίβο.

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

Αυτό σας καθοδηγεί πίσω στο χώρο που θέλετε να θυμηθείτε.

But we also know where we are through movement.

Γνωρίζουμε επίσης πού βρισκόμαστε μέσω της κίνησης.

So if we take some outbound path --

Γι'αυτό εάν πάρουμε ένα εξερχόμενο μονοπάτι,

perhaps we park and we wander off --

ίσως σταθμεύοντας και τριγυρνώντας,

we know because our own movements,

ξέρουμε από τις κινήσεις μας,

which we can integrate over this path

οι οποίες καταγράφονται πάνω σε αυτό το μονοπάτι

roughly what the heading direction is to go back.

περίπου ποια κατεύθυνση πρέπει να ακολουθήσουμε για να επιστρέψουμε.

And place cells also get this kind of path integration input

Τα κύτταρα θέσης λαμβάνουν αυτό το είδος καταγραφής μονοπατιού

from a kind of cell called a grid cell.

από ένα είδος κυττάρων που ονομάζονται νευρικά κύτταρα.

Now grid cells are found, again,

Τα νευρικά κύτταρα

on the inputs to the hippocampus,

στο εσωτερικό του ιππόκαμπου

and they're a bit like place cells.

και μοιάζουν με τα κύτταρα θέσης.

But now as the rat explores around,

Καθώς ο αρουραίος εξερευνά γύρω του,

each individual cell fires

κάθε ξεχωριστό κύτταρο στέλνει σήμα

in a whole array of different locations

σε ένα φάσμα διαφορετικών σημείων

which are laid out across the environment

μέσα στο περιβάλλον

in an amazingly regular triangular grid.

μέσα σε ένα εντυπωσιακά ακριβές τριγωνικό πλέγμα.

And if you record from several grid cells --

Αν μελετήσουμε διάφορα νευρικά κύτταρα,

shown here in different colors --

που φαίνονται εδώ με διαφορετικά χρώματα,

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

θα δούμε ότι κάθε μοτίβο του πλέγματος σημάτων μέσα στο περιβάλλον,

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

και κάθε μοτίβο του πλέγματος σημάτων ενός κυττάρουν αλλάζει ελαφρώς

relative to the other cells.

σε σχέση με αυτά των άλλων κυττάρων.

So the red one fires on this grid

Το κόκκινο λοιπόν στέλνει σήματα σε αυτό το πλέγμα

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

το πράσινο σε αυτό και το μπλε σε αυτό το πλέγμα.

So together, it's as if the rat

Μαζί λοιπόν, λειτουργούν λες και ο αρουραίος

can put a virtual grid of firing locations

μπορεί να δημιουργήσει ένα εικονικό πλέγμα από σήματα θέσης

across its environment --

για το περιβάλλον του,

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

κάτι σαν τις γραμμές γεωγραφικού πλάτους και μήκους που θα βρίσκαμε σε ένα χάρτη,

but using triangles.

με μόνη διαφορά τη χρήση τριγώνων.

And as it moves around,

Καθώς τριγυρνάει,

the electrical activity can pass

η ηλεκτρική δραστηριότητα μπορεί να περάσει

from one of these cells to the next cell

από ένα από αυτά τα κύτταρα στο επόμενο

to keep track of where it is,

και να αναγνωρίζει πού βρίσκεται,

so that it can use its own movements

ώστε να χρησιμοποιεί τις δικές του κινήσεις

to know where it is in its environment.

για να ξέρει πού βρίσκεται μέσα στο περιβάλλον του.

Do people have grid cells?

Έχουν και οι άνθρωποι νευρικά κύτταρα;

Well because all of the grid-like firing patterns

Λόγω του ότι όλα τα μοτίβα πλεγμάτων σημάτων

have the same axes of symmetry,

έχουν τους ίδιους συμμετρικούς άξονες,

the same orientations of grid, shown in orange here,

ο ίδιος προσανατολισμός πλέγματος, όπως φαίνεται εδώ με πορτοκαλί,

it means that the net activity

δείχνει ότι η δραστηριότητα

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

όλων των νευρικών κυττάρων σε ένα συγκεκριμένο μέρος του εγκεφάλου

should change

θα έπρεπε να αλλάζει

according to whether we're running along these six directions

σύμφωνα με το αν κινούμαστε προς αυτές τις έξι κατευθύνσεις

or running along one of the six directions in between.

ή σε μία από τις έξι κατευθύνσεις στο ενδιάμεσο.

So we can put people in an MRI scanner

Γι'αυτό μπορούμε να υποβάλουμε τους ανθρώπους σε μία μαγνητική τομογραφία

and have them do a little video game

βάζοντάς τους να παίξουν το ίδιο ηλεκτρονικό παιχνίδι

like the one I showed you

που σας έδειξα

and look for this signal.

και να εξετάσουμε τα σήματα.

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

Πράγματι, μπορείτε να το δείτε στον ανθρώπινο ενδορινικό φλοιό,

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

ο οποίος είναι το μέρος του εγκεφάλου που αντιστοιχεί σε αυτό των νευρικών κυττάρων των αρουραίων.

So back to Homer.

Ας επιστρέψουμε στον Χόμερ.

He's probably remembering where his car was

Ίσως να θυμάται πού βρίσκεται το αυτοκίνητό του

in terms of the distances and directions

όσον αφορά αποστάσεις και κατεύθυνση

to extended buildings and boundaries

καθώς και επεκταμένα κτίρια και όρια

around the location where he parked.

γύρω από τη θέση όπου στάθμευσε.

And that would be represented

Αυτό αντιπροσωπεύεται από

by the firing of boundary-detecting cells.

τα σήματα που στέλνουν τα κύτταρα εντοπισμού ορίων.

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

Θυμάται επίσης το μονοπάτι που ακολούθησε για έξοδό του από το χώρο στάθμευσης,

which would be represented in the firing of grid cells.

το οποίο θα μπορούσε να αντιπροσωπευτεί από τα σήματα των νευρικών κυττάρων.

Now both of these kinds of cells

Και τα δύο αυτά είδη κυττάρων

can make the place cells fire.

μπορούν να προκαλέσουν την αποστολή μηνύματος από τα κύτταρα θέσης.

And he can return to the location where he parked

Έτσι μπορεί να επιστρέψει στο χώρο όπου στάθμευσε

by moving so as to find where it is

τριγυρνώντας μέχρι να βρει

that best matches the firing pattern

το μοτίβο που ταιριάζει καλύτερα στο μοτίβο σημάτων που έστειλαν

of the place cells in his brain currently

τα κύτταρα θέσης στον εγκέφαλό του

with the stored pattern where he parked his car.

και το οποίο αποθηκεύτηκε όταν αυτός στάθμευσε το αυτοκίνητό του.

And that guides him back to that location

Αυτό τον καθοδηγεί στη θέση

irrespective of visual cues

ανεξάρτητα από τα οπτικά στοιχεία

like whether his car's actually there.

όπως το αν το αυτοκίνητό του βρίσκεται πράγματι εκεί.

Maybe it's been towed.

Ακόμα κι αν το έχουν ρυμουλκήσει,

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

αυτός θα ξέρει πού βρισκόταν, άρα πώς θα πάει να το βρει.

So beyond spatial memory,

Πέρα λοιπόν από τη χωρική μνήμη,

if we look for this grid-like firing pattern

αν εξετάσουμε αυτό το μοτίβο πλέγματος σημάτων,

throughout the whole brain,

σε ολόκληρο τον εγκέφαλο,

we see it in a whole series of locations

το αναγνωρίζουμε σε μία ολόκληρη σειρά θέσεων

which are always active

που ενεργοποιούνται πάντοτε

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

όταν πραγματοποιούμε κάθε είδους εργασία αυτοβιογραφικής μνήμης,

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

όπως όταν θυμόμαστε την τελευταία φορά που πήγαμε σε ένα γάμο.

So it may be that the neural mechanisms

Ίσως λοιπόν οι μηχανισμοί των νευρώνων μας

for representing the space around us

που αναπαριστούν το χώρο γύρω μας

are also used for generating visual imagery

να χρησιμοποιούνται και για την παραγωγή οπτικής απεικόνισης

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

ώστε να αναπαράγουμε τη σκηνή του χώρου, τουλάχιστον

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

των γεγονότων που μας συνέβηκαν, όταν θέλουμε να τους φανταστούμε.

So if this was happening,

Εάν συνέβαινε αυτό λοιπόν

your memories could start by place cells activating each other

τότε η μνήμη μας θα έπρεπε να αρχίζει από τα κύτταρα θέσης που ενεργοποιούν το ένα το άλλο

via these dense interconnections

μέσα από αυτές τις πυκνές διασυνδέσεις

and then reactivating boundary cells

επανενεργοποιώντας τα κύτταρα ορίων

to create the spatial structure

για δημιουργία της δομής του χώρου

of the scene around your viewpoint.

της σκηνής που φαντάζεστε.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

Τα νευρικά κύτταρα θέτουν αυτή τη σκηνή στο χώρο.

Another kind of cell, head direction cells,

Ακόμα ένα είδος κυττάρων, τα κύτταρα κατεύθυνσης,

which I didn't mention yet,

τα οποία δεν ανέφερα μέχρι τώρα,

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

στέλνουν σήματα σαν πυξίδα σύμφωνα την κατεύθυνση στην οποία είστε στραμμένοι.

They could define the viewing direction

Ορίζουν την κατεύθυνση

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

από την οποία θέλετε να λάβετε μία εικόνα για την οπτική απεικόνισή σας,

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

γι'αυτό μπορείτε να φανταστείτε τι συνέβηκε όταν βρεθήκατε σε αυτό το γάμο για παράδειγμα.

So this is just one example

Αυτό είναι λοιπόν μόνο ένα παράδειγμα

of a new era really

μίας πραγματικά νέας εποχής

in cognitive neuroscience

στη γνωστική νευροεπιστήμη

where we're beginning to understand

όπου αρχίζουμε να κατανοούμε

psychological processes

τις ψυχολογικές διαδικασίες

like how you remember or imagine or even think

όπως πώς να θυμηθείτε ή να φανταστείτε ή να σκεφτείτε

in terms of the actions

τις ενέργειες

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

εκατομμυρίων ξεχωριστών νευρώνων που απαρτίζουν τον εγκέφαλό μας.

Thank you very much.

Σας ευχαριστώ πολύ.

(Applause)

(Χειροκρότημα)