Neil Burgess: How your brain tells you where you are

脳があなたのいる場所を認知するしくみ：ニール・バージェス

翻訳: yuto ito 校正: Mamoru Ichikawa

When we park in a big parking lot,

やたらに広い駐車場で

how do we remember where we parked our car?

車を停めた場所をどうやって覚えますか？

Here's the problem facing Homer.

ホーマーさんに考えてもらいましょう

And we're going to try to understand

そして彼の脳で行われていることを

what's happening in his brain.

理解してみましょう

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

まず 黄色で示した「海馬」

which is the organ of memory.

ここは記憶を司る器官です

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

アルツハイマー病などで障害されると

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

駐車した場所が覚えられなくなります

It's named after Latin for "seahorse,"

なお 語源は形が似ている

which it resembles.

「タツノオトシゴ」のラテン名です

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

海馬は神経細胞でできています

So the human brain

人間の脳には

has about a hundred billion neurons in it.

千億もの神経細胞があり

And the neurons communicate with each other

それらの連絡は

by sending little pulses or spikes of electricity

微弱な電気パルスやスパイク信号を

via connections to each other.

送り合うことで行われています

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

海馬には二つの細胞層があり

which are very densely interconnected.

それらは密につながっています

And scientists have begun to understand

近年 マウスやラットが

how spatial memory works

飼育ケージでえさを探している間の

by recording from individual neurons

神経細胞の活動を記録することで

in rats or mice

「空間の記憶」の仕組みが

while they forage or explore an environment

looking for food.

解明され始めました

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

いま仮に ラットの海馬にある

in the hippocampus of this rat here.

１個の神経細胞を記録中とします

And when it fires a little spike of electricity,

細胞が１つの電気信号を発すると

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

赤い点ができると共に プツッと音がします

So what we see

ご覧の通り

is that this neuron knows

この細胞はラットが

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

特定の場所に行ったときだけ活動します

And it signals to the rest of the brain

そして脳の他の部分に

by sending a little electrical spike.

電気信号を送るのです

So we could show the firing rate of that neuron

ラットの居場所に応じて

as a function of the animal's location.

発火の頻度を示すことができます

And if we record from lots of different neurons,

こうして多くの細胞を記録していくと

we'll see that different neurons fire

ラットが移動した場所ごとに

when the animal goes in different parts of its environment,

別々の細胞が活動していることが

like in this square box shown here.

わかりました

So together they form a map

こうして神経細胞は地図を作って

for the rest of the brain,

脳全体に

telling the brain continually,

「いま自分がどこにいるか」を

"Where am I now within my environment?"

知らせ続けているのです

Place cells are also being recorded in humans.

この「場所細胞」は人間にも見つかっています

So epilepsy patients sometimes need

てんかんの患者が

the electrical activity in their brain monitoring.

定期的に脳の検査をするとき

And some of these patients played a video game

小さな街をドライブするゲームを

where they drive around a small town.

したことがありました

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

街の特定の場所をドライブすると

start sending electrical impulses

海馬の「場所細胞」が活性化し

whenever they drove through a particular location in that town.

電気信号を送り始めるのです

So how does a place cell know

ではどのように場所細胞は

where the rat or person is within its environment?

環境の中の位置を知るのでしょうか

Well these two cells here

この2つの細胞は

show us that the boundaries of the environment

環境における「境界」が

are particularly important.

重要な事を示しています

So the one on the top

上の細胞は

likes to fire sort of midway between the walls

ラットが箱の壁の中央に

of the box that their rat's in.

いる時に興奮するようです

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

箱が大きくなれば 発火の範囲も広くなります

The one below likes to fire

下の細胞は南側の壁に近い時に

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

興奮するようです

And if you put another wall inside the box,

ですから箱の中に新しく壁を作ると

then the cell fires in both place

動物が箱の中を歩きまわったとき

wherever there's a wall to the south

壁が南側にあるときに限って

as the animal explores around in its box.

その細胞が興奮するのです

So this predicts

このことは

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

あなたの周りの建物などの

extended buildings and so on --

距離や方向を感じ取ることが

is particularly important for the hippocampus.

海馬にとって非常に重要なことを示します

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

実際に 海馬の入力領域に

cells are found which project into the hippocampus,

ラットやマウスが歩きまわる際に

which do respond exactly

正確に境界や縁への

to detecting boundaries or edges

距離や方向を感知して

at particular distances and directions

海馬に伝える細胞が

from the rat or mouse

as it's exploring around.

発見されています

So the cell on the left, you can see,

左側の細胞は

it fires whenever the animal gets near

実験動物が東側の境界や壁に

to a wall or a boundary to the east,

近づいた時に反応します

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

それが何かの縁や 四角い箱の壁であっても

or the circular wall of the circular box

丸い箱の曲がった壁であったとしても

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

テーブルの縁であったとしてもです

And the cell on the right there

そして右側の細胞は

fires whenever there's a boundary to the south,

南側の境界があるときに反応します

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

それが壁やテーブルの縁であっても

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

離れたテーブルの隙間だったとしてもです

So that's one way in which we think

これこそが「場所細胞」が

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

自分の位置を知る一つの手段と考えられます

We can also test where we think objects are,

目的物の場所を判断するテストもしました

like this goal flag, in simple environments --

単純な場所の どこに旗があるか？

or indeed, where your car would be.

要は駐車場の車の位置みたいなものです

So we can have people explore an environment

まず 実験する場所を探索してもらい

and see the location they have to remember.

覚えるべき場所を見てもらいます

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

少し後に もういちど同じ場所に戻ると

generally they're quite good at putting a marker down

大体の人は 旗や車がどこにあったか

where they thought that flag or their car was.

かなり正確に示すことができます

But on some trials,

では こんどの実験では

we could change the shape and size of the environment

部屋の形や大きさを 場所細胞の実験の時のように

like we did with the place cell.

最初に見たものと変えてしまいます

In that case, we can see

この場合でも 私たちは

how where they think the flag had been changes

環境の形や大きさの変化させたとき

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

旗があったと思う場所が どのように変化するか分かるのです

And what you see, for example,

いいですか 例えば

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

小さな四角形のX印部分に旗があるとします

and then if you ask people where it was,

そして 旗がどこにあるのか尋ねます

but you've made the environment bigger,

ここで 四角形をもっと大きくすると

where they think the flag had been

彼らの考える旗の位置が

stretches out in exactly the same way

場所細胞の活性化領域が拡がるのと

that the place cell firing stretched out.

同様に拡大するのです

It's as if you remember where the flag was

つまり どこに旗があるかの記憶は

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

その場所における 場所細胞の活性化パターンの記憶により

at that location,

行われているようです

and then you can get back to that location

だから 少し後にその場所に戻ると

by moving around

記憶したパターンと 現在の場所細胞の活性化パターンを

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

最もよくマッチさせるように動き回り

with that stored pattern.

覚えようと思った場所に

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

戻ってくることができるのです

But we also know where we are through movement.

一方 動くことで位置を知ることもできます

So if we take some outbound path --

駐車場を出る時

perhaps we park and we wander off --

駐車して ちょっと外れて歩きますよね？

we know because our own movements,

私たちは 動き回れば

which we can integrate over this path

後で戻るのに およそどの方向へ向かえば良いか

roughly what the heading direction is to go back.

統合できると知っています

And place cells also get this kind of path integration input

場所細胞は このような進路統合信号を

from a kind of cell called a grid cell.

「グリッド（格子）細胞」から得ています

Now grid cells are found, again,

グリッド細胞とは

on the inputs to the hippocampus,

海馬の入力部分にある細胞で

and they're a bit like place cells.

場所細胞と似た性質があります

But now as the rat explores around,

しかし ラットがあちこち動き回るときの

each individual cell fires

あるグリッド細胞の働きを調べてみると

in a whole array of different locations

周囲の環境に敷かれた 驚くほど規則性の高い

which are laid out across the environment

三角形の格子上の別々の場所で

in an amazingly regular triangular grid.

活性化することが分かります

And if you record from several grid cells --

いくつかのグリッド細胞を記録してみると

shown here in different colors --

ここに 異なる色で示していますが

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

それぞれの細胞が持つ 格子状の活性化パターンは

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

環境全体に広がっていて かつ

relative to the other cells.

少しずつ ずれていることがわかります

So the red one fires on this grid

赤の細胞は このような格子で

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

緑はこう 青はこのように活性化します

So together, it's as if the rat

まとめると ラットは

can put a virtual grid of firing locations

空間上に 仮想のグリッドを

across its environment --

置いているようです

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

要は 地図にある経線や緯線のようなものです

but using triangles.

三角形ですけどね

And as it moves around,

ラットがあちこち動き回るとき

the electrical activity can pass

１つの細胞から別の細胞へと

from one of these cells to the next cell

電気活動が受け継がれていくことで

to keep track of where it is,

現在位置が把握されます

so that it can use its own movements

だから 自分の動きを利用して

to know where it is in its environment.

今どこにいるかを知ることができるのです

Do people have grid cells?

人間もそうなのか？

Well because all of the grid-like firing patterns

まず 全ての格子状のパターンには

have the same axes of symmetry,

共通の対称軸があり

the same orientations of grid, shown in orange here,

オレンジで示したような方向性があります

it means that the net activity

つまり 私たちが

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

６つの方向のどれかに向かっている場合と

should change

その中間の方向に向かう場合で

according to whether we're running along these six directions

脳の特定の場所にあるグリッド細胞の

or running along one of the six directions in between.

電気活動の総量は変わるはずです

So we can put people in an MRI scanner

そこで何人かにＭＲＩスキャナーに 入ってもらい

and have them do a little video game

先ほどお見せしたような

like the one I showed you

ゲームをやってもらって

and look for this signal.

この信号を探しました

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

すると 脳の「嗅内皮質」の中に 見つかりました

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

ラットのグリッド細胞がある部分と 同じ場所です

So back to Homer.

では再びホーマーさん

He's probably remembering where his car was

彼は どこに車を停めたかを

in terms of the distances and directions

まわりの建物や壁からの

to extended buildings and boundaries

距離や方角という情報から

around the location where he parked.

覚えているのでしょう

And that would be represented

それは「境界」を検知する細胞に

by the firing of boundary-detecting cells.

よって表現されます

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

また 彼は駐車場から出た道を覚えていますが

which would be represented in the firing of grid cells.

それはグリッド細胞によって表現されます

Now both of these kinds of cells

これらの二つの細胞は

can make the place cells fire.

場所細胞を活性化させます

And he can return to the location where he parked

そして彼は戻ってくるときに

by moving so as to find where it is

場所細胞が記録したパターンに

that best matches the firing pattern

最も合致した場所に移動することで

of the place cells in his brain currently

車を停めた場所に

with the stored pattern where he parked his car.

戻ってくることができるのです

And that guides him back to that location

そしてホーマーさんは

irrespective of visual cues

車という 視覚的手がかりと無関係に

like whether his car's actually there.

その場所に導かれてしまいました

Maybe it's been towed.

きっと車は 牽引されてしまったのでしょう

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

しかし彼はどこにあったかを覚えていて たどり着けます

So beyond spatial memory,

さて 空間的な記憶だけでなく

if we look for this grid-like firing pattern

脳全体にわたって格子状の活性化パターンを

throughout the whole brain,

示す領域を探してみると

we see it in a whole series of locations

たとえば最後に行った結婚式を思い出すような

which are always active

「自伝的記憶」に関する作業を行うときに

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

いつでも活性化される多くの場所で

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

格子状の活性パターンが見られました

So it may be that the neural mechanisms

つまり 空間を認知するための仕組みは

for representing the space around us

視覚的なイメージを

are also used for generating visual imagery

生み出すためも使われているのかもしれません

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

だから私たちは 過去の出来事を 思い出そうとする時

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

その空間としての場面を 再現できるのです

So if this was happening,

もしこれが本当なら

your memories could start by place cells activating each other

あなたの記憶は この密な相互作用によって

via these dense interconnections

場所細胞が互いに活性化しあい

and then reactivating boundary cells

そして 境界細胞が活性化し

to create the spatial structure

あなたの視点の周りの空間を構築することで

of the scene around your viewpoint.

始まっているのかもしれません

And grid cells could move this viewpoint through that space.

そしてグリッド細胞は 視点を変えてくれます

Another kind of cell, head direction cells,

まだ言及していない「頭部方向細胞」は

which I didn't mention yet,

どの方向に顔を向けているかによって

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

コンパスのように活性化します

They could define the viewing direction

それらはあなたが創造したい

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

視覚的イメージに合わせて 見る方向を決めます

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

こうして 結婚式場で起きたことを 思い出せるのです

So this is just one example

以上のことは

of a new era really

脳を構成する

in cognitive neuroscience

何十億もの神経細胞の活動をもとに

where we're beginning to understand

私たちが どのように記憶し 想像し

psychological processes

考えるかなどの 心理学的過程を理解し始めた

like how you remember or imagine or even think

新たな時代の認知神経科学の

in terms of the actions

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

一例にしか過ぎません

Thank you very much.

ありがとうございました

(Applause)

（拍手）