Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Translator: Yasmina Hablani Reviewer: Iwona Chałuś (Chalus)

When we park in a big parking lot,

Quand nous nous garons dans un grand parking,

how do we remember where we parked our car?

comment nous rappelons nous où nous avons garé notre voiture?

Here's the problem facing Homer.

Voici le problème que rencontre Homer.

And we're going to try to understand

Et nous allons essayer de comprendre

what's happening in his brain.

ce qui se passe dans son cerveau.

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

Nous commencerons donc par l'hippocampe, représenté en jaune,

which is the organ of memory.

qui est l'organe de la mémoire.

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

Si cette zone est endommagée, comme dans le cas d'Alzheimer,

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

vous ne pouvez pas souvenir de choses telles que l'endroit où vous avez garé votre voiture.

It's named after Latin for "seahorse,"

Son nom vient du latin "cheval des mers",

which it resembles.

auquel il ressemble.

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

Et comme le reste du cerveau, il est fait de neurones.

So the human brain

Donc le cerveau humain

has about a hundred billion neurons in it.

compte environ une centaine de milliards de neurones.

And the neurons communicate with each other

Et les neurones communiquent entre eux

by sending little pulses or spikes of electricity

en envoyant de petites impulsions ou pointes d'électricité

via connections to each other.

via les connexions qu'ils ont entre eux.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

L'hippocampe est formé de deux couches de cellules,

which are very densely interconnected.

qui sont étroitement interconnectées.

And scientists have begun to understand

Et les scientifiques commencent à comprendre

how spatial memory works

comment la mémoire spatiale fonctionne

by recording from individual neurons

en enregistrant à partir de neurones isolés

in rats or mice

chez les rats ou les souris

while they forage or explore an environment

pendant qu'ils cherchent ou explorent leur environnement

looking for food.

à la recherche de nourriture.

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

Nous allons donc imaginer que nous enregistrons à partir d'un seul neurone

in the hippocampus of this rat here.

dans l'hippocampe de ce rat ici.

And when it fires a little spike of electricity,

Et quand il produit une petite pointe d'électricité,

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

il y aura un point rouge et un clic.

So what we see

Donc ce que nous voyons

is that this neuron knows

c'est que ce neurone sait

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

quand le rat va dans une zone particulière de son environnement.

And it signals to the rest of the brain

Et il le signale au reste du cerveau

by sending a little electrical spike.

en envoyant une petite décharge électrique.

So we could show the firing rate of that neuron

Nous pourrions donc montrer que le taux de décharge de ce neurone

as a function of the animal's location.

comme étant fonction de la localisation de l'animal.

And if we record from lots of different neurons,

Et si nous enregistrons depuis de nombreux neurones différents,

we'll see that different neurons fire

nous verrons que ces différents neurones émettent

when the animal goes in different parts of its environment,

quand l'animal va dans différentes parties de son environnement,

like in this square box shown here.

comme dans cette boite carrée montrée ici.

So together they form a map

Ensemble ils forment donc une carte

for the rest of the brain,

pour le reste du cerveau,

telling the brain continually,

qui dit continuellement au cerveau,

"Where am I now within my environment?"

"Où suis-je maintenant dans mon environnement?"

Place cells are also being recorded in humans.

Les cellules de localisation sont aussi trouvées chez les humains.

So epilepsy patients sometimes need

Les patients épileptiques ont parfois besoin

the electrical activity in their brain monitoring.

que l'activité électrique de leur cerveau soit contrôlée.

And some of these patients played a video game

Et certains de ces patients ont joué à un jeu vidéo

where they drive around a small town.

où ils conduisent dans une petite ville.

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

Et les cellules de localisation dans leur hippocampe émettent, deviennent actives,

start sending electrical impulses

commencent à envoyer des impulsions électriques

whenever they drove through a particular location in that town.

à chaque fois qu'ils conduisent dans un endroit particulier de cette ville.

So how does a place cell know

Donc comment une cellule de localisation sait-elle

where the rat or person is within its environment?

où le rat ou la personne se trouve dans son environnement?

Well these two cells here

Ces deux cellules ici

show us that the boundaries of the environment

nous montrent que les frontières de cet environnement

are particularly important.

sont particulièrement importantes.

So the one on the top

Celle du haut

likes to fire sort of midway between the walls

aime émettre quelque part à mi-chemin entre les murs

of the box that their rat's in.

de la boite dans laquelle se trouve leur rat.

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

Et quand on grandit la boite, la zone de décharge s'agrandit.

The one below likes to fire

Celle du bas aime émettre

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

dès qu'il y a un mur à proximité au Sud.

And if you put another wall inside the box,

Et si vous mettez un autre mur dans la boite,

then the cell fires in both place

alors les cellules émettent aux deux endroits

wherever there's a wall to the south

à chaque fois qu'il y a un mur au Sud

as the animal explores around in its box.

quand l'animal explore sa boite.

So this predicts

Ceci prédit donc

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

que ressentir les distances et les directions des frontières autour de vous --

extended buildings and so on --

les bâtiments étendus et autres --

is particularly important for the hippocampus.

est particulièrement important pour l'hippocampe.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

Et ainsi, dans les données d'entrée de l'hippocampe,

cells are found which project into the hippocampus,

on trouve des cellules qui projettent dans l'hippocampe,

which do respond exactly

qui répondent exactement

to detecting boundaries or edges

à la détection de limites ou de bords

at particular distances and directions

à des distances et des directions particulières

from the rat or mouse

du rat ou de la souris

as it's exploring around.

pendant son exploration.

So the cell on the left, you can see,

Donc la cellule sur la gauche, vous pouvez voir

it fires whenever the animal gets near

qu'elle émet dès que l'animal s'approche

to a wall or a boundary to the east,

d'un mur ou d'une limite à l'Est,

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

que ce soit le bord ou le mur d'une boite carrée

or the circular wall of the circular box

ou le mur circulaire de la boite circulaire

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

ou même le bord d'une table, autour de laquelle les animaux courent.

And the cell on the right there

Et la cellule sur la droite

fires whenever there's a boundary to the south,

émet dès qu'il y a une frontière au sud,

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

que ce soit le bord de la table ou un mur

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

ou même l'espace entre deux tables qui sont séparées.

So that's one way in which we think

C'est donc une des façons dont nous pensons

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

que les cellules de localisation déterminent où se trouve l'animal quand il explore son environnement.

We can also test where we think objects are,

Nous pouvons aussi tester où nous pensons que les objets se trouvent,

like this goal flag, in simple environments --

comme ce poteau de but, dans des environnements simples --

or indeed, where your car would be.

ou bien sûr, où se trouverait votre voiture.

So we can have people explore an environment

Nous pouvons ainsi faire explorer un environnement à des gens

and see the location they have to remember.

et voir l'endroit qu'ils doivent mémoriser.

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

Et alors, si nous les mettons de nouveau dans cet environnement,

generally they're quite good at putting a marker down

ils sont généralement assez bons pour mettre un indicateur

where they thought that flag or their car was.

là où ils pensent que le drapeau ou leur voiture était.

But on some trials,

Mais dans certains tests,

we could change the shape and size of the environment

nous avons changé la forme et la taille de l'environnement

like we did with the place cell.

comme nous avons fait avec la cellule de localisation.

In that case, we can see

Dans ce cas, nous pouvons voir

how where they think the flag had been changes

comment l'endroit où ils pense que le drapeau était change

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

en fonction de la manière dont vous changez la forme et la taille de l'environnement.

And what you see, for example,

Et ce que vous voyez, par exemple,

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

si le drapeau était où se trouve cette croix dans un petit environnement carré,

and then if you ask people where it was,

et quand vous demandez aux gens où il était,

but you've made the environment bigger,

mais que vous avez rendu l'environnement plus gros,

where they think the flag had been

où ils pensent que le drapeau était

stretches out in exactly the same way

se décale exactement de la même façon

that the place cell firing stretched out.

que l'endroit où la cellule émet se décale.

It's as if you remember where the flag was

C'est comme si vous vous rappeliez où se trouvait le drapeau

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

en stockant le schéma de décharge de toutes vos cellules de localisation

at that location,

à cet endroit,

and then you can get back to that location

et qu'alors vous retourniez à cet endroit

by moving around

en vous déplaçant

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

de manière à correspondre au mieux au schéma de décharge de vos cellules de localisation

with that stored pattern.

et au schéma enregistré.

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

Cela vous guide vers l'endroit dont vous voulez vous souvenir.

But we also know where we are through movement.

Mais nous savons aussi où nous sommes à travers le mouvement.

So if we take some outbound path --

Donc si nous prenons un chemin qui nous éloigne --

perhaps we park and we wander off --

peut-être que nous sommes garés et que nous nous sommes égarés --

we know because our own movements,

nous savons grâce à nos propres mouvements,

which we can integrate over this path

que nous intégrons sur ce chemin

roughly what the heading direction is to go back.

approximativement quelle est la direction à prendre pour revenir.

And place cells also get this kind of path integration input

Et les cellules de localisation reçoivent aussi ce type d'intégration de chemin

from a kind of cell called a grid cell.

d'un type de cellule appelées cellule de grille.

Now grid cells are found, again,

Les cellules de grille se trouvent, encore,

on the inputs to the hippocampus,

dans les données d'entrée de l'hippocampe,

and they're a bit like place cells.

et elles sont un peu comme les cellules de localisation.

But now as the rat explores around,

Mais maintenant quand le rat explore son environnement,

each individual cell fires

chaque cellule émet

in a whole array of different locations

dans toute une série d'endroits différents

which are laid out across the environment

qui sont répartis dans l'environnement

in an amazingly regular triangular grid.

dans une grille triangulaire étonnamment régulière.

And if you record from several grid cells --

Et si vous enregistrez à partir de plusieurs cellules de grille --

shown here in different colors --

représentées ici de différentes couleurs --

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

chacune a un motif de décharge en forme de grille dans l'environnement,

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

et chaque motif en forme de grille est légèrement décalé

relative to the other cells.

par rapport aux autres cellules.

So the red one fires on this grid

Donc la rouge décharge sur cette grille

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

et la verte sur celle-ci et la bleue sur celle-là.

So together, it's as if the rat

Et ensemble, c'est comme si le rat

can put a virtual grid of firing locations

pouvait mettre une grille virtuelle des lieux de décharge

across its environment --

sur son environnement --

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

un peu comme les lignes de latitude et de longitude que vous trouvez sur une carte,

but using triangles.

mais en utilisant des triangles.

And as it moves around,

Et quand il se déplace,

the electrical activity can pass

l'activité électrique peut passer

from one of these cells to the next cell

d'une de ces cellules à la cellule suivante

to keep track of where it is,

pour suivre où il se trouve,

so that it can use its own movements

et utiliser ses propres mouvements

to know where it is in its environment.

pour savoir où il est dans son environnement.

Do people have grid cells?

Est-ce que les gens ont des cellules de grille?

Well because all of the grid-like firing patterns

Et bien comme les motifs de décharge en forme de grille

have the same axes of symmetry,

ont le même axes de symétrie,

the same orientations of grid, shown in orange here,

les même orientations de grille, indiquées en orange ici,

it means that the net activity

cela signifie que l'activité du réseau

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

de toutes les cellules de grille dans une partie particulière du cerveau

should change

devrait changer

according to whether we're running along these six directions

selon que l'on parcoure ces six directions

or running along one of the six directions in between.

ou que l'on parcoure selon une de ces six directions intermédiaire.

So we can put people in an MRI scanner

Nous pouvons donc mettre les gens dans un scanner IRM

and have them do a little video game

et les faire jouer à un petit jeu vidéo

like the one I showed you

comme celui que je vous ai montré

and look for this signal.

et chercher ce signal.

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

Et alors vous le voyez dans le cortex entorhinal humain

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

qui est la partie du cerveau où vous voyez les cellules de grille chez les rats.

So back to Homer.

Donc revenons à Homer.

He's probably remembering where his car was

Il se rappelle probablement où sa voiture était

in terms of the distances and directions

en termes de distances et de directions

to extended buildings and boundaries

par rapport aux bâtiments étendus et aux frontières

around the location where he parked.

autour de l'endroit où il s'est garé.

And that would be represented

Et cela serait représenté

by the firing of boundary-detecting cells.

par la décharge de cellules de détection des frontières.

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

Il se rappelle aussi le chemin qu'il a pris en sortant du parking,

which would be represented in the firing of grid cells.

ce qui serait représenté par la décharge de cellules de grille.

Now both of these kinds of cells

Maintenant ces deux types de cellules

can make the place cells fire.

peuvent faire émettre les cellules de localisation.

And he can return to the location where he parked

Et il peut retourner à l'endroit où il s'est garé

by moving so as to find where it is

en se déplaçant de façon à trouver l'endroit où elle est

that best matches the firing pattern

qui correspond le mieux au motif de décharge

of the place cells in his brain currently

actuel des cellules de localisation dans son cerveau

with the stored pattern where he parked his car.

et au motif enregistré quand il a garé sa voiture.

And that guides him back to that location

Et ça le ramène à cet endroit

irrespective of visual cues

indépendamment des repères visuels

like whether his car's actually there.

comme de savoir si sa voiture est là.

Maybe it's been towed.

Peut-être qu'elle a été remorquée.

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

Mais il sait où elle était, donc il sait y aller et la récupérer.

So beyond spatial memory,

Donc au-delà de la mémoire spatiale,

if we look for this grid-like firing pattern

si nous cherchons ce motif de décharge en forme de grille

throughout the whole brain,

à travers tout le cerveau,

we see it in a whole series of locations

nous le voyons dans toute une série d'endroits

which are always active

qui sont toujours actifs

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

quand nous faisons toutes sortes de taches de mémoire autobiographique ,

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

comme se rappeler la dernière fois que nous sommes allés à un mariage par exemple.

So it may be that the neural mechanisms

Donc peut-être que les mécanismes neuronaux

for representing the space around us

pour représenter l'espace autour de nous

are also used for generating visual imagery

sont aussi utilisés pour générer une imagerie visuelle

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

de manière à pouvoir recréer la scène spatiale, au moins,

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

des évènements qui nous sont arrivés quand nous voulons les imaginer.

So if this was happening,

Donc si cela se produisait,

your memories could start by place cells activating each other

vos souvenirs pourraient commencer par des cellules de localisation s'activant les unes les autres

via these dense interconnections

via ces interconnections denses

and then reactivating boundary cells

et réactivant alors les cellules frontière

to create the spatial structure

pour créer la structure spatiale

of the scene around your viewpoint.

de la scène autour de notre point de vue.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

Et les cellules de grilles pourraient déplacer ce point de vue dans cet espace.

Another kind of cell, head direction cells,

Un autre type de cellule, les cellules de direction,

which I didn't mention yet,

que je n'ai pas encore mentionnées,

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

déchargent comme un compas en fonction de la direction que vous regardez.

They could define the viewing direction

Elle peuvent définir la direction de la vue

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

à partir de laquelle vous voulez générer une image pour votre imagerie visuelle,

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

et que vous puissiez imaginer ce qui vous est arrivé quand vous étiez à ce mariage par exemple.

So this is just one example

C'est juste un exemple

of a new era really

d'une nouvelle ère

in cognitive neuroscience

en neuroscience cognitive

where we're beginning to understand

où on commence à comprendre

psychological processes

les processus psychologiques

like how you remember or imagine or even think

tels que comment vous vous souvenez ou imaginez ou même pensez

in terms of the actions

en termes d'actions

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

des milliards de neurones individuels qui constituent vos cerveaux.

Thank you very much.

Merci beaucoup.

(Applause)

(Applaudissements)