Neil Burgess: How your brain tells you where you are

מתרגם: Ido Dekkers מבקר: Eran Givoni

When we park in a big parking lot,

כשאנחנו חונים בחניון גדול,

how do we remember where we parked our car?

איך אנחנו זוכרים היכן חנינו?

Here's the problem facing Homer.

הנה הבעיה שעומדת לפני הומר.

And we're going to try to understand

ואנחנו עומדים לנסות להבין

what's happening in his brain.

מה קורה בתוך מוחו.

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

אז נתחיל עם ההיפוקמפוס, שנראה בצהוב,

which is the organ of memory.

שזה האבר של הזיכרון.

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

אם יש לכם נזק שם, כמו באלצהיימר,

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

אתם לא יכולים לזכור דברים כולל היכן החניתם את המכונית.

It's named after Latin for "seahorse,"

שמו בא מהמילה הלטינית ל"סוס-ים,"

which it resembles.

שלו הוא דומה.

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

וכמו שאר המוח, הוא עשוי מנוירונים.

So the human brain

אז במוח האנושי

has about a hundred billion neurons in it.

יש בערך מאה מיליארד נוירונים.

And the neurons communicate with each other

והנוירונים מתקשרים זה עם זה

by sending little pulses or spikes of electricity

על ידי שליחת פעימות או קפיצות קטנות של חשמל

via connections to each other.

דרך החיבורים שביניהם.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

ההיפוקמפוס בנוי משתי שכבות של תאים,

which are very densely interconnected.

המחוברות זו לזו בצפיפות.

And scientists have begun to understand

והמדענים החלו להבין

how spatial memory works

איך עובד הזכרון המרחבי

by recording from individual neurons

על ידי הקלטות מנוירונים בודדים

in rats or mice

בחולדות או בעכברים

while they forage or explore an environment

כשהם מלקטים מזון או חוקרים את סביבתם

looking for food.

בחיפוש אחר מזון.

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

הבה נדמיין לעצמנו שאנחנו מקליטים נוירון יחיד

in the hippocampus of this rat here.

בהיפוקמפוס של החולדה הזו.

And when it fires a little spike of electricity,

וכשהוא יורה זרם קטן של חשמל,

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

תופיע נקודה אדומה ויישמע קליק.

So what we see

אז מה שאנחנו רואים

is that this neuron knows

זה שהנוירון הזה יודע

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

מתי החולדה נכנסת למקום מסוים בסביבתה.

And it signals to the rest of the brain

והוא מאותת לשאר המוח

by sending a little electrical spike.

על ידי שיגור קפיצת זרם חשמלי.

So we could show the firing rate of that neuron

אנחנו יכולים להראות את קצב הירי של הנוירון

as a function of the animal's location.

כפונקציה של מיקום החיה.

And if we record from lots of different neurons,

ואם נקליט הרבה נוירונים שונים,

we'll see that different neurons fire

נראה ירי מנוירונים שונים

when the animal goes in different parts of its environment,

כשהחיה הולכת לאזורים שונים בסביבתה,

like in this square box shown here.

כמו בתיבה המרובעת שנראית כאן.

So together they form a map

וביחד הם יוצרים מפה

for the rest of the brain,

עבור שאר המוח,

telling the brain continually,

שמדווחת למוח ברציפות,

"Where am I now within my environment?"

"איפה אני עכשיו בסביבה שלי?"

Place cells are also being recorded in humans.

תאי המיקום מוקלטים גם אצל אנשים.

So epilepsy patients sometimes need

חולים במחלת הנפילה זקוקים לפעמים

the electrical activity in their brain monitoring.

לניטור של הפעילות החשמלית במוחם.

And some of these patients played a video game

וחלק מהחולים האלה שיחקו במשחק וידאו

where they drive around a small town.

שבו הם נוהגים בעיר קטנה.

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

ותאי המיקום בהיפוקמפוס נדלקים ונעשים פעילים,

start sending electrical impulses

ומתחילים לשלוח פעימות חשמל

whenever they drove through a particular location in that town.

בכל פעם שעברו באזור מסוים באותה עיר.

So how does a place cell know

אז איך תא מיקום יודע

where the rat or person is within its environment?

איפה נמצאים החולדה או האדם בסביבה שלהם?

Well these two cells here

ובכן, שני התאים האלה

show us that the boundaries of the environment

מראים לנו שהגבולות של הסביבה

are particularly important.

חשובים במיוחד.

So the one on the top

התא העליון

likes to fire sort of midway between the walls

אוהב לירות בערך באמצע הדרך בין הדפנות

of the box that their rat's in.

של הקופסה בה נמצאת החולדה שלו.

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

וכשמרחיבים את התיבה, מתרחב אזור הירי.

The one below likes to fire

התא התחתון אוהב לירות

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

בכל פעם שיש דופן דרומית קרובה.

And if you put another wall inside the box,

ואם מציבים דופן נוספת בקופסה,

then the cell fires in both place

התא יורה בשני המקומות

wherever there's a wall to the south

בכל מקום שיש דופן דרומית

as the animal explores around in its box.

כשהחיה חוקרת את הסביבה בתיבה שלה.

So this predicts

אז זה חוזה

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

את חישת המרחקים והכיוונים של הגבולות מסביב--

extended buildings and so on --

בניינים מוארכים וכו' --

is particularly important for the hippocampus.

שחשובה במיוחד להיפוקמפוס.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

ובאמת, בכניסות הקלט של ההיפוקמפוס,

cells are found which project into the hippocampus,

נמצאים תאים שמקרינים לתוך ההיפוקמפוס,

which do respond exactly

שאכן מגיב בדיוק

to detecting boundaries or edges

לגילוי של גבולות או שוליים

at particular distances and directions

במרחקים וכיוונים מסויימים

from the rat or mouse

מהחולדה או העכבר

as it's exploring around.

כשהם חוקרים את הסביבה.

So the cell on the left, you can see,

והתא מימין, כפי שאתם רואים,

it fires whenever the animal gets near

יורה בכל פעם שהחיה מתקרבת

to a wall or a boundary to the east,

לדופן או לגבול במזרח,

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

אם זה הקצה או הדופן של תיבה מרובעת

or the circular wall of the circular box

או הדופן המעוגלת של תיבה עגולה

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

או אפילו המדרגה בקצה השולחן, שהחיות רצות עליה.

And the cell on the right there

והתא שם מימין

fires whenever there's a boundary to the south,

יורה בכל פעם שיש גבול בדרום,

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

אם זו המדרגה בקצה השולחן או אם זו דופן

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

או אפילו רווח בין שני שולחנות שהורחקו זה מזה.

So that's one way in which we think

אז זו דרך אחת בה אנחנו חושבים

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

שתאי המיקום קובעים היכן החיה כשהיא בודקת את הסביבה.

We can also test where we think objects are,

אנחנו גם יכולים לבדוק היכן לדעתנו חפצים נמצאים,

like this goal flag, in simple environments --

כמו דגל-מטרה זה, בסביבות פשוטות --

or indeed, where your car would be.

או באמת איפה יכולה להימצא המכונית.

So we can have people explore an environment

אז אנחנו יכולים לאפשר לאנשים לחקור את סביבתם

and see the location they have to remember.

ולראות את המיקום שהם צריכים לזכור.

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

ואז, אם נחזיר אותם לאותה סביבה,

generally they're quite good at putting a marker down

הם בד"כ מצליחים לא רע להניח סמן

where they thought that flag or their car was.

היכן שחשבו שנמצאים דגל המטרה או המכונית שלהם.

But on some trials,

אבל בכמה ניסויים,

we could change the shape and size of the environment

יכולנו לשנות את צורת וגודל הסביבה

like we did with the place cell.

כמו שעשינו עם תא המיקום.

In that case, we can see

במקרה ההוא, אנחנו יכולים לראות

how where they think the flag had been changes

איך משתנה לדעתם מיקום הדגל

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

כפונקציה של שינוי צורת וגודל הסביבה.

And what you see, for example,

ומה שאתם רואים, לדוגמה,

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

זה שהדגל הוא היכן שהצלב היה בסביבה קטנה וריבועית,

and then if you ask people where it was,

אך אם תשאלו אנשים היכן הוא היה,

but you've made the environment bigger,

אבל הגדלתם את הסביבה,

where they think the flag had been

המקום בו הם חושבים שהדגל היה

stretches out in exactly the same way

מתרחק בדיוק באותה דרך

that the place cell firing stretched out.

שמתרחק תא המיקום שיורה.

It's as if you remember where the flag was

זה כאילו אתם זוכרים איפה הדגל היה

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

ע"י שמירת תבנית הירי של כל תאי המיקום שלכם

at that location,

של אותה סביבה,

and then you can get back to that location

ואז אפשר לחזור למיקום ההוא

by moving around

על ידי תזוזה באזור

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

וכך מתאמים את תבנית הירי הנוכחית של תאי המיקום

with that stored pattern.

עם התבנית השמורה.

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

זה מנחה בחזרה למיקום שרוצים לזכור.

But we also know where we are through movement.

אבל אנחנו גם יודעים את המיקום שלנו באמצעות תנועה.

So if we take some outbound path --

כך שאם נבחר נתיב כלשהו שמוביל החוצה--

perhaps we park and we wander off --

למשל אם חונים ותועים בטיול שלנו--

we know because our own movements,

אנחנו יודעים הודות לתנועה שלנו,

which we can integrate over this path

שאותה אנו יכולים לשלב בנתיב הזה

roughly what the heading direction is to go back.

בערך מהו הכיוון בחזרה.

And place cells also get this kind of path integration input

ותאי מיקום מקבלים גם סוג כזה של מידע נתיבים משולב

from a kind of cell called a grid cell.

מסוג של תא שנקרא "תא מערך".

Now grid cells are found, again,

וגם תאי המערך נמצאים

on the inputs to the hippocampus,

בכניסות הקלט להיפוקמפוס,

and they're a bit like place cells.

והם קצת כמו תאי מיקום.

But now as the rat explores around,

אבל עכשיו, כשהחולדה חוקרת את הסביבה,

each individual cell fires

כל תא ותא יורים

in a whole array of different locations

במערך שלם של מיקומים שונים

which are laid out across the environment

שנפרשים במקביל לסביבה

in an amazingly regular triangular grid.

במערך טריאנגולציה רגיל להפליא.

And if you record from several grid cells --

ואם מקליטים מכמה תאי מערך --

shown here in different colors --

שנראים פה בצבעים שונים --

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

לכל אחד יש תבנית ירי בצורת מערך מול הסביבה,

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

וכל מערך ירי של תא מוזח קלות

relative to the other cells.

יחסית לשאר התאים.

So the red one fires on this grid

אז האדום יורה במערך הזה

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

והירוק בזה והכחול בזה.

So together, it's as if the rat

אז יחד זה כאילו שהחולדה

can put a virtual grid of firing locations

יכולה להציב מערך וירטואלי של מיקומי ירי

across its environment --

מול הסביבה שלה--

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

קצת כמו קווי האורך והרוחב במפה,

but using triangles.

אבל בעזרת משולשים.

And as it moves around,

וכשהיא זזה,

the electrical activity can pass

הפעילות החשמלית יכולה לעבור

from one of these cells to the next cell

מאחד התאים האלה אל התא הסמוך

to keep track of where it is,

כדי לעקוב אחרי המיקום שלה,

so that it can use its own movements

כך שהיא יכולה להשתמש בתנועות שלה עצמה

to know where it is in its environment.

כדי לדעת איפה היא נמצאת בסביבה.

Do people have grid cells?

האם לאנשים יש תאי מערך?

Well because all of the grid-like firing patterns

ובכן, בגלל שלכל תבניות הירי בצורת מערך

have the same axes of symmetry,

יש אותם צירי סימטריה,

the same orientations of grid, shown in orange here,

אותם כיוונים של המערך, שנראים כאן בכתום,

it means that the net activity

אומרים שהפעילות נטו

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

של כל תאי המערך בחלק מסוים של המוח

should change

אמורה להשתנות

according to whether we're running along these six directions

אם אנחנו רצים לאורך ששת הצירים האלה

or running along one of the six directions in between.

או רצים לאורך אחד מששת הצירים שביניהם.

So we can put people in an MRI scanner

אז אנחנו יכולים להכניס אנשים לסורק דימות מגנטי

and have them do a little video game

ולתת להם לשחק במשחק וידאו קטן

like the one I showed you

כמו זה שהראיתי לכם

and look for this signal.

ואז לחפש את האות הזה.

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

ובאמת רואים את זה בקליפה האנטורינית של מוח האדם,

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

שהיא אותו חלק במוח בו רואים תאי מערך בחולדות.

So back to Homer.

וכעת נחזור להומר.

He's probably remembering where his car was

הוא כנראה נזכר איפה מכוניתו

in terms of the distances and directions

במונחים של מרחק וכיוון

to extended buildings and boundaries

אל בניינים מוארכים וגבולות

around the location where he parked.

מסביב למקום בו הוא חנה.

And that would be represented

וזה יהיה מיוצג

by the firing of boundary-detecting cells.

על ידי הירי של תאים מאתרי-קצוות.

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

הוא גם זוכר את הדרך בה יצא מהחניון,

which would be represented in the firing of grid cells.

שמיוצגת בירי של תאי מערך.

Now both of these kinds of cells

ושני סוגי התאים

can make the place cells fire.

יכולים לגרום לתאי המיקום לירות.

And he can return to the location where he parked

והוא יכול לחזור למיקום בו חנה

by moving so as to find where it is

על ידי תזוזה שמטרתה למצוא את המיקום

that best matches the firing pattern

בדרך המתאימה ביותר לתבנית הירי

of the place cells in his brain currently

של תאי המיקום במוחו כרגע

with the stored pattern where he parked his car.

עם התבנית השמורה של המקום בו החנה את המכונית.

And that guides him back to that location

וזה מנחה אותו חזרה לאותו מיקום

irrespective of visual cues

בלי קשר לרמזים חזותיים

like whether his car's actually there.

כמו היכן המכונית באמת נמצאת.

Maybe it's been towed.

אולי היא נגררה

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

אבל הוא יודע איפה היא היתה, לכן הוא יודע מאין להביא אותה.

So beyond spatial memory,

אז מעבר לזיכרון המרחבי,

if we look for this grid-like firing pattern

אם נחפש את תבנית הירי דמויית המערך

throughout the whole brain,

בכל המוח,

we see it in a whole series of locations

נראה אותה בסדרה שלמה של מיקומים

which are always active

שתמיד פעילים

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

כשאנחנו מבצעים כל מיני משימות זיכרון אוטוביוגרפיות,

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

כמו להיזכר בפעם האחרונה שהלכנו לחתונה, לדוגמה.

So it may be that the neural mechanisms

אז ייתכן שהמנגנונים העיצביים

for representing the space around us

שקשורים לייצוג המרחב שסביבנו

are also used for generating visual imagery

משמשים גם ליצירת דימויים חזותיים

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

כדי שנוכל לפחות לשחזר את התמונה המרחבית,

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

של הארועים שקרו לנו כשאנחנו רוצים לדמיין אותם.

So if this was happening,

אז אם זה היה קורה,

your memories could start by place cells activating each other

זכרונותיכם יכולים להתחיל בתאי מיקום שמפעילים זה את זה

via these dense interconnections

דרך הקישוריות הצפופה

and then reactivating boundary cells

ואז מפעילים מחדש תאי-גבול

to create the spatial structure

כדי ליצור את המבנה המרחבי

of the scene around your viewpoint.

של הסצנה שמסביב לנקודת הראיה שלכם.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

ותאי המערך יזיזו את נקודת המבט במרחב.

Another kind of cell, head direction cells,

סוג נוסף של תא, תאי כיוון הראש,

which I didn't mention yet,

שלא הזכרתי עדיין,

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

יורים כמו מצפן לפי הכיוון אליו הפנים מופנות.

They could define the viewing direction

הם יכולים להגדיר את כיוון הראיה

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

ממנו אתם רוצים ליצור תמונה עבור הדימוי החזותי שלכם,

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

ואז תוכלו לדמיין מה קרה כשהייתם באותה חתונה, לדוגמה.

So this is just one example

אז זו רק דוגמה אחת

of a new era really

לעידן חדש באמת

in cognitive neuroscience

במחקר הקוגניטיבי של מדעי המוח

where we're beginning to understand

שבו אנחנו מתחילים להבין

psychological processes

תהליכים פסיכולוגיים

like how you remember or imagine or even think

כמו איך זוכרים או מדמיינים או אפילו חושבים

in terms of the actions

במונחים של הפעולות

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

של מיליארדי נוירונים שונים שיוצרים את המוח שלנו.

Thank you very much.

תודה רבה לכם.

(Applause)

(מחיאות כפיים)