Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Traduttore: Anna Cristiana Minoli Revisore: Elena Montrasio

When we park in a big parking lot,

Quando parcheggiamo in un grande parcheggio,

how do we remember where we parked our car?

come ricordiamo dove abbiamo lasciato la macchina?

Here's the problem facing Homer.

Questo è il problema che ha Homer.

And we're going to try to understand

E cercheremo di capire

what's happening in his brain.

cosa succede nel suo cervello.

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

Cominciamo con l'ippocampo, evidenziato in giallo,

which is the organ of memory.

che è l'organo della memoria.

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

Se è compromesso, come nell'Alzheimer,

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

non vi ricordate le cose, compreso dove avete parcheggiato la macchina.

It's named after Latin for "seahorse,"

Prende il nome dal cavalluccio marino,

which it resembles.

che gli assomiglia.

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

E come il resto del cervello, è fatto di neuroni.

So the human brain

Il cervello umano

has about a hundred billion neurons in it.

contiene circa 100 miliardi di neuroni.

And the neurons communicate with each other

I neuroni comunicano tra di loro

by sending little pulses or spikes of electricity

inviando piccoli impulsi o picchi di elettricità

via connections to each other.

tramite le loro connessioni.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

L'ippocampo è formato da due strati di cellule,

which are very densely interconnected.

che sono densamente interconnesse.

And scientists have begun to understand

Gli scienziati hanno cominciato a capire

how spatial memory works

come funziona la memoria spaziale

by recording from individual neurons

analizzando i singoli neuroni

in rats or mice

nelle cavie

while they forage or explore an environment

mentre cercano cibo

looking for food.

o esplorano l'ambiente.

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

Immagineremo di seguire le fasi di un singolo neurone

in the hippocampus of this rat here.

nell'ippocampo di una cavia.

And when it fires a little spike of electricity,

Quando invia un piccolo impulso elettrico,

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

un puntino rosso si accende e lampeggia.

So what we see

Quello che notiamo

is that this neuron knows

è che questo neurone sa

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

quando la cavia è andata in un punto particolare di quell'ambiente.

And it signals to the rest of the brain

E lo segnala al resto del cervello

by sending a little electrical spike.

inviando un piccolo impulso elettrico.

So we could show the firing rate of that neuron

Possiamo quindi mostrare la cadenza di invio di quel neurone

as a function of the animal's location.

come funzione della localizzazione dell'animale.

And if we record from lots of different neurons,

E se consideriamo tanti neuroni diversi,

we'll see that different neurons fire

vediamo che diversi neuroni si attivano

when the animal goes in different parts of its environment,

quando l'animale va in punti diversi dell'ambiente,

like in this square box shown here.

come nel riquadro che vedete qui.

So together they form a map

Insieme formano una mappa

for the rest of the brain,

per il resto del cervello,

telling the brain continually,

dicendo continuamente al cervello:

"Where am I now within my environment?"

"Dove sono ora in questo ambiente?"

Place cells are also being recorded in humans.

Le cellule di posizione sono registrate anche negli umani.

So epilepsy patients sometimes need

Talvolta i pazienti epilettici hanno bisogno

the electrical activity in their brain monitoring.

di un controllo dell'attività elettrica del cervello.

And some of these patients played a video game

Alcuni di quei pazienti hanno giocato a un videogioco

where they drive around a small town.

dove devono guidare in una piccola città.

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

Le cellule di posizione del loro ippocampo si attivano,

start sending electrical impulses

cominciano ad inviare impulsi elettrici

whenever they drove through a particular location in that town.

ogni volta che guidano in un particolare punto di quella città.

So how does a place cell know

Allora, una cellula di posizione come sa

where the rat or person is within its environment?

dove sono la cavia o la persona nel loro ambiente?

Well these two cells here

Queste due cellule

show us that the boundaries of the environment

mostrano che i confini dell'ambiente

are particularly important.

sono particolarmente importanti.

So the one on the top

A quella in alto

likes to fire sort of midway between the walls

piace attivarsi a metà strada tra i due muri

of the box that their rat's in.

della scatola in cui si trova la cavia.

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

Quando allargate la scatola, il luogo di attivazione si espande.

The one below likes to fire

A quella in basso piace attivarsi

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

ogni volta che un muro si avvicina a sud.

And if you put another wall inside the box,

E se mettete un altro muro nella scatola,

then the cell fires in both place

la cellula si attiva in entrambi i punti

wherever there's a wall to the south

ogni volta che c'è un muro a sud

as the animal explores around in its box.

mentre l'animale esplora la scatola.

So this predicts

Questo fa prevedere

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

che rilevare le distanze e la direzione dei confini intorno a noi --

extended buildings and so on --

edifici circostanti e così via --

is particularly important for the hippocampus.

è particolarmente importante per l'ippocampo.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

Ed effettivamente, sulla base delle indicazioni all'ippocampo,

cells are found which project into the hippocampus,

si trovano cellule che proiettano dentro l'ippocampo,

which do respond exactly

che rispondono esattamente

to detecting boundaries or edges

al rilevamento di confini e bordi

at particular distances and directions

a particolari distanze e direzioni

from the rat or mouse

dalla cavia

as it's exploring around.

mentre questa esplora l'area.

So the cell on the left, you can see,

Quindi la cellula sulla sinistra, vedete,

it fires whenever the animal gets near

si attiva ogni volta che l'animale si avvicina

to a wall or a boundary to the east,

a un muro o a un confine a est.

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

che sia il bordo di un muro di una scatola quadrata

or the circular wall of the circular box

o un muro circolare di una scatola circolare

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

o anche il bordo di un tavolo, che l'animale percorre.

And the cell on the right there

E la cellula qui sulla destra

fires whenever there's a boundary to the south,

si attiva ogni volta che c'è un confine a sud,

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

che sia lo spigolo del tavolo o un muro

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

o anche uno spazio tra due tavoli che vengono allontanati.

So that's one way in which we think

Ecco quindi un modo in cui pensiamo

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

che le cellule determinino dov'è l'animale mentre esplora i dintorni.

We can also test where we think objects are,

Possiamo anche testare dove pensiamo siano gli oggetti,

like this goal flag, in simple environments --

come questa bandierina, in ambienti semplici --

or indeed, where your car would be.

o naturalmente, dove si trova la vostra auto.

So we can have people explore an environment

Possiamo fare in modo che le persone esplorino l'ambiente

and see the location they have to remember.

e vedano il punto che devono ricordare.

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

E poi, una volta rimesse nell'ambiente,

generally they're quite good at putting a marker down

generalmente sono abbastanza brave a identificare

where they thought that flag or their car was.

dove pensavano che fossero la bandierina o l'auto.

But on some trials,

Ma in alcuni esperimenti,

we could change the shape and size of the environment

si poteva cambiare la forma e la dimensione dell'ambiente

like we did with the place cell.

come abbiamo fatto con le cellule di posizione.

In that case, we can see

In quel caso, vediamo

how where they think the flag had been changes

come cambi il punto in cui pensavano che fosse la bandierina

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

in funzione di come si cambiano la forma e la dimensione dell'ambiente.

And what you see, for example,

E quello che vedete, per esempio,

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

se la bandierina era dove c'era la croce in una piccola area quadrata,

and then if you ask people where it was,

e chiedete alle persone dov'era,

but you've made the environment bigger,

dopo avere ingrandito l'area,

where they think the flag had been

il punto in cui pensavano che fosse la bandierina

stretches out in exactly the same way

si allarga esattamente nello stesso modo

that the place cell firing stretched out.

in cui si sono allargate le cellule di posizione.

It's as if you remember where the flag was

È come se ricordaste dov'era la bandierina

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

immagazzinando il percorso di attivazione di tutte le cellule di posizione

at that location,

in quella posizione,

and then you can get back to that location

per poi tornare indietro a quella posizione

by moving around

muovendovi

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

così da far coincidere l'attuale percorso di attivazione delle cellule di posizione

with that stored pattern.

con quel percorso memorizzato.

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

E questo vi riporta a quel punto che volete ricordare.

But we also know where we are through movement.

Sappiamo anche dove siamo attraverso il movimento.

So if we take some outbound path --

Se imbocchiamo un percorso in uscita --

perhaps we park and we wander off --

per esempio parcheggiamo e ci allontaniamo --

we know because our own movements,

sappiamo grazie ai nostri movimenti,

which we can integrate over this path

che possiamo integrare in questo percorso,

roughly what the heading direction is to go back.

pressapoco qual è la direzione giusta per tornare indietro.

And place cells also get this kind of path integration input

E le cellule di posizione prendono questi dati integrativi del percorso

from a kind of cell called a grid cell.

da un tipo di cellula detta cellula grid.

Now grid cells are found, again,

Le cellule grid, ancora una volta, si trovano

on the inputs to the hippocampus,

tra le informazioni dell'ippocampo,

and they're a bit like place cells.

e sono un po' come le cellule di posizione.

But now as the rat explores around,

Ma ora, mentre la cavia esplora i dintorni,

each individual cell fires

ogni singola cellula si attiva

in a whole array of different locations

in tutta una serie di punti diversi

which are laid out across the environment

sparsi in tutto l'ambiente

in an amazingly regular triangular grid.

in una meravigliosa griglia triangolare regolare.

And if you record from several grid cells --

Se raccogliete informazioni da diverse cellule grid --

shown here in different colors --

che vedete qui in diversi colori --

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

ognuna ha uno schema di attivazione a griglia in tutto l'ambiente,

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

e ogni schema di attivazione delle cellule grid si sposta leggermente

relative to the other cells.

relazionandosi con le altre cellule.

So the red one fires on this grid

Quindi quella rossa su questa griglia

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

e la verde su questa e la blu su questa.

So together, it's as if the rat

Tutte insieme: è come se la cavia

can put a virtual grid of firing locations

potesse fare una griglia virtuale di luoghi di attivazione

across its environment --

attraverso l'ambiente --

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

un po' come la latitudine e la longitudine di una mappa,

but using triangles.

ma utilizzando dei triangoli.

And as it moves around,

E mentre si muove,

the electrical activity can pass

l'attività elettrica può passare

from one of these cells to the next cell

da una cellula a quella successiva

to keep track of where it is,

per prendere nota di dove si trova,

so that it can use its own movements

per poter usare i propri movimenti

to know where it is in its environment.

per sapere dov'è nell'ambiente.

Do people have grid cells?

Le persone hanno le cellule grid?

Well because all of the grid-like firing patterns

Siccome questi schemi di attivazione a griglia

have the same axes of symmetry,

hanno lo stesso asse di simmetria,

the same orientations of grid, shown in orange here,

lo stesso orientamento della griglia, mostrato qui in arancione,

it means that the net activity

significa che l'attività di rete

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

di tutte le cellule grid in una particolare zona del cervello

should change

dovrebbe cambiare

according to whether we're running along these six directions

a seconda che scorriamo lungo queste sei direzioni

or running along one of the six directions in between.

o scorriamo tra l'una e l'altra di queste sei direzioni.

So we can put people in an MRI scanner

Possiamo fare una risonanza magnetica

and have them do a little video game

e far giocare le persone a un piccolo videogioco

like the one I showed you

come quello che vi ho mostrato

and look for this signal.

e cercare questo segnale.

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

E naturalmente, si vede nella corteccia entorinale umana,

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

che è la stessa parte del cervello in cui si trovano le cellule grid delle cavie.

So back to Homer.

Bene, torniamo a Homer.

He's probably remembering where his car was

Probabilmente ricorda dov'era la macchina

in terms of the distances and directions

in termini di distanza e direzioni

to extended buildings and boundaries

fino agli edifici e ai confini circostanti

around the location where he parked.

intorno al punto in cui ha parcheggiato.

And that would be represented

E questo viene rappresentato

by the firing of boundary-detecting cells.

dall'attivazione di cellule per l'identificazione dei confini.

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

Si ricorda anche il percorso che ha fatto nell'allontanarsi dalla macchina,

which would be represented in the firing of grid cells.

rappresentato dall'attivazione delle cellule grid.

Now both of these kinds of cells

Entrambi questi tipi di cellule

can make the place cells fire.

fanno attivare le cellule di posizione.

And he can return to the location where he parked

Egli può ritornare al posto dove ha parcheggiato

by moving so as to find where it is

muovendosi in modo da trovare

that best matches the firing pattern

dove l'attuale schema di attivazione

of the place cells in his brain currently

delle cellule di posizione coincide maggiormente

with the stored pattern where he parked his car.

con lo schema memorizzato quando ha parcheggiato.

And that guides him back to that location

E tutto questo lo guida verso quel punto

irrespective of visual cues

a prescindere da riferimenti visivi

like whether his car's actually there.

o dal fatto che la sua auto sia effettivamente là.

Maybe it's been towed.

Magari gliel'hanno rimossa.

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

Ma sa dov'era, quindi sa dove andare a riprenderla.

So beyond spatial memory,

Quindi oltre alla memoria spaziale,

if we look for this grid-like firing pattern

se osserviamo questo schema di attivazione a griglia

throughout the whole brain,

in tutto il cervello,

we see it in a whole series of locations

lo vediamo in tanti diversi punti

which are always active

che sono sempre attivi

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

mentre facciamo qualunque tipo di attività di memorizzazione autobiografica

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

come ricordare l'ultima volta che siamo stati a un matrimonio, per esempio.

So it may be that the neural mechanisms

Potrebbe essere che i meccanismi neurali

for representing the space around us

per la rappresentazione dello spazio circostante

are also used for generating visual imagery

vengano anche usati per generare rappresentazioni visive

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

tanto da poter ricreare scenari spaziali

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

degli eventi che ci sono capitati quando li vogliamo immaginare.

So if this was happening,

Quindi se succede questo,

your memories could start by place cells activating each other

i vostri ricordi cominciano con l'attivazione delle cellule di posizione

via these dense interconnections

attraverso le dense interconnessioni

and then reactivating boundary cells

e poi con la riattivazione delle cellule di confine

to create the spatial structure

per creare una struttura spaziale

of the scene around your viewpoint.

della scena intorno al vostro punto di vista.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

E le cellule grid possono spostare questo punto di vista nello spazio.

Another kind of cell, head direction cells,

Un altro tipo di cellule, le cellule di orientamento,

which I didn't mention yet,

che ancora non ho menzionato,

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

si attivano come una bussola a seconda della direzione verso cui siete orientati.

They could define the viewing direction

Riescono a definire la direzione della vista

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

da cui volete generare un'immagine per le vostre immagini visive,

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

potete immaginare, per esempio, cos'è successo quand'eravate al matrimonio.

So this is just one example

Questo è solo un esempio

of a new era really

di una nuova era

in cognitive neuroscience

della neuroscienza cognitiva

where we're beginning to understand

dove cominciamo a capire

psychological processes

i processi psicologici

like how you remember or imagine or even think

come il ricordare o immaginare o perfino pensare

in terms of the actions

alle azioni

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

dei miliardi di singoli neuroni che formano il vostro cervello.

Thank you very much.

Grazie infinite.

(Applause)

(Applausi)