Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Neil Burgess : comment votre cerveau vous dit où vous vous trouvez

Traducteur: Elisabeth Buffard Relecteur: Anna Cristiana Minoli

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 souvenons-nous de l'endroit où nous avons garé notre voiture?

Here's the problem facing Homer.

Voici le problème d'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 allons donc commencer par l'hippocampe, ici 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 cet organe est endommagé, comme dans la maladie d'Alzheimer,

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

vous ne pouvez pas vous souvenir des choses comme l'endroit où votre voiture est garée.

It's named after Latin for "seahorse,"

Son nom vient du latin pour « cheval de mer »,

which it resembles.

ce à quoi il ressemble.

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

Et comme le reste du cerveau, il est constitué de neurones

So the human brain

Le cerveau humain contient donc

has about a hundred billion neurons in it.

environ cent 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 piques d'électricités

via connections to each other.

via des connexions 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 interconnectées de façon très dense.

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 depuis des neurones individuels

in rats or mice

chez des rats ou des souris

while they forage or explore an environment

pendant qu'ils creusent ou qu'ils explorent un environnement

looking for food.

pour chercher de la nourriture.

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

Nous allons donc imaginer que nous enregistrons depuis 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 lance une petite pique d'électricité,

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

il va y avoir un point rouge et un clic.

So what we see

Ce que nous voyons donc

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 un endroit particulier 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 pique électrique.

So we could show the firing rate of that neuron

Nous pourrions donc montrer le taux de décharge de ce neurone

as a function of the animal's location.

comme une fonction du lieu où se trouve 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 différents neurones déchargent

when the animal goes in different parts of its environment,

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

like in this square box shown here.

comme dans cette boite carrée 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 au cerveau en continu,

"Where am I now within my environment?"

« Où suis-je maintenant dans mon environnement ? »

Place cells are also being recorded in humans.

On trouve aussi les cellules de localisation chez les humains.

So epilepsy patients sometimes need

Alors les patients souffrants d'épilepsie ont parfois besoin

the electrical activity in their brain monitoring.

de l'activité électrique dans le contrôle de leur cerveau.

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.

dans lequel ils se déplacent en voiture dans une petite ville.

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

Et les cellules de localisation dans leurs hippocampes déchargent, s'activent,

start sending electrical impulses

commencent à envoyer des impulsions électriques

whenever they drove through a particular location in that town.

chaque fois qu'ils passent par un endroit particulier dans cette ville.

So how does a place cell know

Alors comment une cellule de localisation sait-elle

where the rat or person is within its environment?

où le rat ou la personne se trouve à l'intérieur de son environnement ?

Well these two cells here

Et bien 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

Et celle d'en haut

likes to fire sort of midway between the walls

aime décharger environ 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 vous agrandissez la boite, le siège de la décharge s'agrandit.

The one below likes to fire

Celle d'en dessous aime décharger

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

chaque fois qui il y a un mur prêt au sud.

And if you put another wall inside the box,

Et si vous rajoutez un mur à l'intérieur de la boite,

then the cell fires in both place

alors les cellules déchargent dans les deux endroits

wherever there's a wall to the south

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

Cela prédit

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

que l'impression de distance et de direction des limites qui vous entourent,

extended buildings and so on --

les grands bâtiments etcétéra,

is particularly important for the hippocampus.

est particulièrement importante pour l'hippocampe.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

Et bien sûr, parmi les données que reçoit l'hippocampe,

cells are found which project into the hippocampus,

on trouve des cellules qui projettent dans l'hippocampe,

which do respond exactly

qui réagissent exactement

to detecting boundaries or edges

à la détection des limites ou des bords

at particular distances and directions

à des distances ou des directions particulières

from the rat or mouse

du rat ou de la souris

as it's exploring around.

quand il explore son environnement.

So the cell on the left, you can see,

La cellule à gauche, vous voyez,

it fires whenever the animal gets near

décharge chaque fois qu'un 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 un bord ou un mur d'une boite carrée

or the circular wall of the circular box

ou un mur circulaire d'une boite circulaire

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

ou même le bord libre d'une table, autour duquel les animaux courent,

And the cell on the right there

Et la cellule à droite là

fires whenever there's a boundary to the south,

décharge chaque fois qu'il y a une limite au sud,

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

que ce soit le bord libre de la table ou un mur

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

ou même l'espace entre deux tables éloignées l'une de l'autre.

So that's one way in which we think

C'est donc une manière 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 trouve votre voiture.

So we can have people explore an environment

Nous pouvons faire explorer par des gens un environnement

and see the location they have to remember.

et voir le lieu dont ils doivent se souvenir.

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

Et alors, si nous les remettons dans l'environnement,

generally they're quite good at putting a marker down

ils sont en général assez bons quand il s'agit de poser un marqueur

where they thought that flag or their car was.

là où ils pensent que le drapeau ou leur voiture se trouve.

But on some trials,

Mais dans certains de ces essais,

we could change the shape and size of the environment

nous pourrions changer la forme et la taille de l'environnement

like we did with the place cell.

comme nous l'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 ils pensent que le drapeau a subi des changements

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

en fonction de la modification que vous apportez à 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 là où était cette croix dans un petit environnement carré,

and then if you ask people where it was,

et ensuite si vous demandez aux gens où il était,

but you've made the environment bigger,

mais que vous agrandissez l'environnement,

where they think the flag had been

là où ils pensaient que le drapeau se trouvait

stretches out in exactly the same way

s'étend exactement de la même façon

that the place cell firing stretched out.

que la cellule de localisation qui décharge s'étend.

It's as if you remember where the flag was

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

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

en enregistrant le modèle 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'ensuite vous reveniez à cet endroit

by moving around

en vous déplaçant

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

de sorte que vous faites la meilleure association entre le modèle de décharge de vos cellules de localisation

with that stored pattern.

et le modèle enregistré.

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

Cela vous guide pour revenir à l'endroit dont vous voulez vous rappeler.

But we also know where we are through movement.

Mais nous savons aussi où nous nous trouvons par le mouvement.

So if we take some outbound path --

Alors si nous suivons un chemin qui nous éloigne --

perhaps we park and we wander off --

peut-être que nous nous garons et nous nous éloignons --

we know because our own movements,

nous savons grâce à nos propres mouvements,

which we can integrate over this path

que nous pouvons intégrer sur ce chemin

roughly what the heading direction is to go back.

en gros la direction à prendre pour revenir.

And place cells also get this kind of path integration input

Et les cellules de localisation reçoivent aussi ces informations d'intégration de chemin

from a kind of cell called a grid cell.

d'un genre de cellules appelées une cellule de grille.

Now grid cells are found, again,

On trouve les cellules de grilles, là encore,

on the inputs to the hippocampus,

sur les informations envoyées à l'hippocampe,

and they're a bit like place cells.

et elles sont un peu similaires aux cellules de localisation.

But now as the rat explores around,

Mais maintenant quand le rat explore son environnement,

each individual cell fires

chaque cellule décharge

in a whole array of different locations

dans toutes sortes d'endroits différents

which are laid out across the environment

qui se trouvent partout dans l'environnement

in an amazingly regular triangular grid.

sur une grille qui est étonnamment triangulaire.

And if you record from several grid cells --

Et si on enregistre de plusieurs cellules de grille --

shown here in different colors --

ici en différentes couleurs --

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

chacune a un modèle de décharge qui ressemble à une grille dans l'environnement

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

et le modèle de décharge en forme de grille de chaque cellule est légèrement déplacé

relative to the other cells.

en fonction des autres cellules.

So the red one fires on this grid

Alors le rouge décharge sur cette grille

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

et le vert sur celle-ci et le bleu sur celle-ci.

So together, it's as if the rat

Alors ensemble, c'est comme si le rat

can put a virtual grid of firing locations

pouvait mettre une grille virtuelle de points de décharge

across its environment --

dans 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 qu'on trouve 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 suivante

to keep track of where it is,

pour garder une trace de l'endroit où il se trouve,

so that it can use its own movements

afin de pouvoir utiliser ses propres mouvements

to know where it is in its environment.

pour savoir où il se trouve dans son environnement.

Do people have grid cells?

Les gens ont-ils des cellules de grille?

Well because all of the grid-like firing patterns

Parce que tous les modèles de décharge en forme de grille

have the same axes of symmetry,

ont les mêmes axes de symétrie,

the same orientations of grid, shown in orange here,

les mêmes orientations de grille, en orange ici,

it means that the net activity

cela signifie que l’activité en réseau

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

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

should change

devrait changer

according to whether we're running along these six directions

selon que nous parcourons ces six directions

or running along one of the six directions in between.

ou que nous parcourons une des six directions intermédiaires.

So we can put people in an MRI scanner

Nous pouvons donc mettre des 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 rechercher ce signal.

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

Et en effet, on le voit bien dans le cortex entorhinal humain,

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

qui est la même partie du cerveau où on voit les cellules de grille chez le rat.

So back to Homer.

Alors revenons à Homer.

He's probably remembering where his car was

Il se rappelle probablement où se trouvait sa voiture

in terms of the distances and directions

en termes de distances et de directions

to extended buildings and boundaries

par rapport aux grands bâtiments et aux limites

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 des cellules détectrices de limites.

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

Il se souvient aussi du chemin qu'il a pris pour sortir du parking

which would be represented in the firing of grid cells.

qui serait représenté dans la décharge des cellules de la grille.

Now both of these kinds of cells

Maintenant ces deux types de cellules

can make the place cells fire.

peuvent faire décharger les cellules de localisation.

And he can return to the location where he parked

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

by moving so as to find where it is

en se déplaçant de façon à le trouver

that best matches the firing pattern

pour qu’il s'accorde le mieux avec le modèle de décharge

of the place cells in his brain currently

des cellules de localisation dans son cerveau en ce moment

with the stored pattern where he parked his car.

avec le modèle enregistré de l'endroit où 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 indices visuels

like whether his car's actually there.

comme de savoir si la voiture est vraiment là.

Maybe it's been towed.

Elle a peut-être été remorquée.

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

Mais il sait où elle se trouvait, il sait donc aller la chercher.

So beyond spatial memory,

Alors au delà de la mémoire spatiale,

if we look for this grid-like firing pattern

si nous cherchons ce modèle de décharge en forme de grille

throughout the whole brain,

dans 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 exécutons toutes sortes de taches de mémoire autobiographique,

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

comme de vous rappeler la dernière fois que vous êtes allés à un mariage, par exemple.

So it may be that the neural mechanisms

Il se peut donc que les mécanismes neuronaux

for representing the space around us

impliqués dans la représentation de l'espace qui nous entoure

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,

pour nous permettre de recréer la scène spatiale, au moins,

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

des évènements que nous avons vécus 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 qui s'activent entre elles

via these dense interconnections

par le biais d'interconnexions denses

and then reactivating boundary cells

et ensuite qui réactivent des cellules de limites

to create the spatial structure

pour créer la structure spatiale

of the scene around your viewpoint.

de la scène autour de votre point de vue.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

Et les cellules de la grille pourraient déplacer ce point de vue à travers cet espace.

Another kind of cell, head direction cells,

Un autre type de cellules, les cellules de direction de la tête

which I didn't mention yet,

dont je n'ai pas encore parlé,

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

déchargent comment une boussole selon la direction vers laquelle vous regardez.

They could define the viewing direction

Elles pourraient définir la direction de la vision

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

depuis laquelle vous voulez générer une image pour votre imagerie visuelle,

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

pour que vous puissiez imaginer ce qui s'est passé quand vous étiez à ce mariage, par exemple.

So this is just one example

Ceci n'est qu'un exemple

of a new era really

d'une véritable nouvelle ère

in cognitive neuroscience

pour la neuroscience cognitive

where we're beginning to understand

où nous commençons à comprendre

psychological processes

les processus psychologiques

like how you remember or imagine or even think

comme la façon dont 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 composent nos cerveaux.

Thank you very much.

Merci beaucoup.

(Applause)

(Applaudissements)