Neil Burgess: How your brain tells you where you are

번역: Woo Hwang 검토: Bianca Lee

When we park in a big parking lot,

아주 큰 주차장에 차를 주차할 때,

how do we remember where we parked our car?

차를 어디에 세워 두었는지 어떻게 기억할까요?

Here's the problem facing Homer.

여기 호머에게 닥친 문제가 있습니다.

And we're going to try to understand

호머의 머리속에서 무슨 일이 일어나는지를

what's happening in his brain.

알아보도록 하겠습니다.

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

노란색으로 표시된 기억을 담당하는 기관인

which is the organ of memory.

측두엽의 해마에서 시작해보죠.

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

알츠하이머 병처럼 이 부분을 손상입게 된다면,

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

여러분이 차를 주차한 위치를 포함해서 아무것도 기억 할 수 없습니다.

It's named after Latin for "seahorse,"

생긴모양도 비슷해서 "해마"라는

which it resembles.

라틴어에서 따온 이름이 붙었습니다.

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

다른 뇌조직 처럼 뉴런으로 이루어져 있습니다.

So the human brain

인간의 뇌에는

has about a hundred billion neurons in it.

대략 수십억개의 뉴런이 있습니다.

And the neurons communicate with each other

뉴런들은 각자의 연결점을 통해

by sending little pulses or spikes of electricity

미세한 전기자극을 보내는 방법으로

via connections to each other.

각각이 상호 작용을 합니다.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

이 해마는 아주 밀접하게 연결되어 있는

which are very densely interconnected.

두장의 세포들로 이루어져 있습니다.

And scientists have begun to understand

과학자들은 먹이를 찾아서

how spatial memory works

돌아다니거나 헤매는

by recording from individual neurons

쥐들의 뇌속 뉴런들을

in rats or mice

기록함으로써 공간기억이

while they forage or explore an environment

어떻게 작동하는지

looking for food.

알게되었습니다.

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

여기 생쥐의 해마속 뉴런 한개를

in the hippocampus of this rat here.

계속 기록한다고 생각해보죠.

And when it fires a little spike of electricity,

그 뉴런이 미세한 전기자극을 일으킬 때,

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

빨간점이 하나 생기고 클릭 소리가 납니다.

So what we see

우리가 알수 있는것은

is that this neuron knows

이 뉴런은 쥐가 어디를 가는지

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

알고 있다는거죠.

And it signals to the rest of the brain

그리고 이 뉴런은 미세한 전기자극을

by sending a little electrical spike.

나머지 다른 뇌의 기관으로 보냅니다.

So we could show the firing rate of that neuron

그래서 이 실험쥐의 위치를

as a function of the animal's location.

뉴런의 작동 발생 비율로 보여 드릴 수 있습니다.

And if we record from lots of different neurons,

다른 많은 뉴런들의 자극을 기록해보면,

we'll see that different neurons fire

쥐가 여기 보는것 처럼

when the animal goes in different parts of its environment,

사각형 상자와 같은 다른 환경의 장소로 옮기면

like in this square box shown here.

다른 많은 뉴런들이 작동 한다는 것을 볼 수 있습니다.

So together they form a map

그래서 뉴런들이

for the rest of the brain,

함께 지도를 만들게 되고,

telling the brain continually,

뇌에 지속적으로 말을하게 되죠.

"Where am I now within my environment?"

"이 환경에서 지금 내가 어디에 있는거지?"

Place cells are also being recorded in humans.

장소 세포들도 몸안에서 기록됩니다.

So epilepsy patients sometimes need

그래서 간질환자들의 뇌 검사하기 위해

the electrical activity in their brain monitoring.

간혹 전기적인 방법을 사용하기도 합니다.

And some of these patients played a video game

이런 환자들중 일부는 작은 도시를

where they drive around a small town.

운전하고 돌아다니는 비디오 게임을 해보기도합니다.

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

환자들의 해마속에 장소 세포가 작동하여 활성화되고,

start sending electrical impulses

그 도시의 특정 장소를 지날 때마다

whenever they drove through a particular location in that town.

전기적인 자극을 보내기 시작합니다.

So how does a place cell know

그럼 장소 세포는 쥐나 환자가 자신이 속한 환경에서

where the rat or person is within its environment?

어디에 있는지를 어떻게 인지 하는 것 일까요?

Well these two cells here

여기 두개의 세포가

show us that the boundaries of the environment

이 환경의 경계선이 특히 중요하다는 것을

are particularly important.

보여주고 있습니다.

So the one on the top

위쪽에 있는 이부분은

likes to fire sort of midway between the walls

쥐가 있던 상자의 벽 사이 중간지점에서

of the box that their rat's in.

작동합니다.

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

상자를 늘리면, 작동 지점도 늘어납니다.

The one below likes to fire

밑에 있는것은 남쪽 아래 가까운

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

벽으로 움직일 때마다 작동합니다.

And if you put another wall inside the box,

이 상자안에 다른 벽을 하나 세우면,

then the cell fires in both place

쥐가 이 상자안을 돌아다니다가

wherever there's a wall to the south

남쪽 아래 벽에 갈때마다

as the animal explores around in its box.

세포가 작동하게 됩니다.

So this predicts

이 현상은

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

거리와 주변 경계선의 방향은

extended buildings and so on --

-- 확장된 건물 등에서 -

is particularly important for the hippocampus.

해마에게 매우 중요하다는 것을 말합니다.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

실제로, 해마에 들어가는 입력정보들 중에서,

cells are found which project into the hippocampus,

쥐가 여기저기 돌아다닐때

which do respond exactly

어떤 부분이 담당하고

to detecting boundaries or edges

어떤 부분이 거리나 방향에 대해

at particular distances and directions

경계선과 가장자리를

from the rat or mouse

탐지하게되는지의 정보가

as it's exploring around.

발견되었습니다.

So the cell on the left, you can see,

왼쪽의 세포에서 볼 수 있듯이,

it fires whenever the animal gets near

동쪽의 벽이나 경계선에

to a wall or a boundary to the east,

가까이 갈때마다,

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

이것이 상자의 경계나 벽인지,

or the circular wall of the circular box

또는 둥근 상자의 벽이나 쥐가 돌아다니던

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

테이블의 끝자락인지 탐지하려고 세포가 작동합니다.

And the cell on the right there

오른쪽의 세포는

fires whenever there's a boundary to the south,

남쪽 경계로 갈때마다 작동하는데요,

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

이부분이 테이블이나 벽의 끝인지,

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

끌어당겨놓은 테이블 사이의 간격인지를 탐지합니다.

So that's one way in which we think

이런것들이 장소 세포가 쥐가 돌아다닐때

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

자신이 어디에 있는지를 인지하는 하나의 방법입니다.

We can also test where we think objects are,

아주 단순한 환경에서 이 깃발처럼 사물들이

like this goal flag, in simple environments --

어디에 있는지를 인지하는 실험도 할 수 있습니다.

or indeed, where your car would be.

-- 아니면 여러분의 자동차가 될 수도 있구요 --

So we can have people explore an environment

이런 공간을 돌아다니는 사람이 있다고 하고,

and see the location they have to remember.

이 사람이 기억해야하는 위치를 봅니다.

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

그리고나서 사람을 다시 이 환경에 가져다 놓으면,

generally they're quite good at putting a marker down

깃발이나 자신의 자동차가 있었다고 생각하는

where they thought that flag or their car was.

장소에 일반적으로 표시를 잘 하게됩니다.

But on some trials,

하지만 다른 실험에서는,

we could change the shape and size of the environment

장소 세포를 가지고 했던 것 처럼

like we did with the place cell.

공간의 형태나 크기를 바꾸어 보았습니다.

In that case, we can see

이 경우에,

how where they think the flag had been changes

사람들이 깃발의 위치가 어디로

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

바뀌었는지를 어떻게 생각하는지 알 수 있습니다.

And what you see, for example,

예를들어,

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

깃발이 작은 사각형안에 엑스표가 있는곳에 있고,

and then if you ask people where it was,

깃발이 어디에 있었는지 물어본다면,

but you've made the environment bigger,

하지만 이 장소를 더 크게 확대했죠,

where they think the flag had been

사람들은 깃발이

stretches out in exactly the same way

장소 세포가 늘린것과 같은 방법으로

that the place cell firing stretched out.

깃발이 늘어난곳에 있다고 생각합니다.

It's as if you remember where the flag was

이건 마치 그 위치에서

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

장소 세포가 작동하는 모든 패턴을 저장하여

at that location,

깃발의 위치를 기억하는 것과 같습니다.

and then you can get back to that location

그리고 돌아다니다가

by moving around

그 지점으로 다시 복귀하는데,

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

이는 이미 저장된 패턴과 장소 세포가 작동하는 현재의

with that stored pattern.

패턴을 매칭하기 때문이죠.

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

이런 방법이 기억하고 싶은 위치로 돌아 갈 수 있게 합니다.

But we also know where we are through movement.

하지만 움직임을 통해서도 우리가 어디에 있는지를 알게됩니다.

So if we take some outbound path --

외부에 나가는 경로는 생각해보면,

perhaps we park and we wander off --

-- 아마도 주차를 하거나 그냥 배회하는 경우죠 --

we know because our own movements,

우리가 움직이는 경로이기 때문에,

which we can integrate over this path

진행하는 방향으로 돌아도록

roughly what the heading direction is to go back.

대략 합칠 수 있습니다.

And place cells also get this kind of path integration input

그리고 장소 세포들은 격자 세포라고

from a kind of cell called a grid cell.

불리는 세포들로부터 경로에 대한 통합 입력 정보를 얻습니다.

Now grid cells are found, again,

격자 세포는 해마의

on the inputs to the hippocampus,

입력 정보에 있구요,

and they're a bit like place cells.

장소 세포와 약간 비슷합니다.

But now as the rat explores around,

하지만 쥐가 여기저기 돌아다니면서,

each individual cell fires

각각의 개별 세포가

in a whole array of different locations

놀랍게도 유사한 삼각 격자형태의

which are laid out across the environment

배열 모양을 가지고

in an amazingly regular triangular grid.

작동하게 됩니다.

And if you record from several grid cells --

몇개의 격자 세포들을 기록해보면,

shown here in different colors --

-- 다른 색깔로 보이게 해보죠 --

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

각 세포들은 이 환경안에서 격자 모양의 작동 패턴을 가집니다.

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

그리고 각 세포의 격자 모양 작동 패턴은 다른 세포들에 비해

relative to the other cells.

조금 이동하게 됩니다.

So the red one fires on this grid

그래서 이 격자에서는 빨간색이 작동하고,

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

여기서는 녹색이, 그리고 이곳에서는 파란색입니다.

So together, it's as if the rat

이것은 마치 쥐가

can put a virtual grid of firing locations

가상의 작동 위치에 대한 격자를

across its environment --

이 환경에 그린 것 같습니다.

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

-- 지도상의 위도와 경도와 조금 유사하죠. --

but using triangles.

삼각형을 사용한것만 빼구요.

And as it moves around,

쥐가 움직이면서,

the electrical activity can pass

전기적인 자극이 쥐가 어디에 있는지

from one of these cells to the next cell

한 세포에서 다른 세포로

to keep track of where it is,

전달하게 됩니다.

so that it can use its own movements

따라서 쥐들은 자신의 움직임 때문에

to know where it is in its environment.

이 환경에서 어디에 위치하는지를 알게 됩니다.

Do people have grid cells?

사람이 격자 세포를 가지고 있을 까요?

Well because all of the grid-like firing patterns

격자 모양 작동 패턴들은

have the same axes of symmetry,

같은 대칭축과 오렌지 색으로 보이는

the same orientations of grid, shown in orange here,

같은 격자 방향을 가지고 있습니다.

it means that the net activity

뇌의 특별한 부분에 있는 격자세포의

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

이런 행동들은 이렇게 6개의

should change

방향으로 움직이는지,

according to whether we're running along these six directions

아니면 6개의 방향중 한 방향으로만 움직이는지에

or running along one of the six directions in between.

따라서 바꿔야만 한다는것을 의미합니다.

So we can put people in an MRI scanner

그래서 사람을 MRI 검사기에 올려놓고

and have them do a little video game

제가 보여드렸던 그런 비디오 게임을

like the one I showed you

하게하고, 이 신호를

and look for this signal.

찾아봅니다.

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

이 세포는 사람의 대뇌피질에서도 볼 수 있는데요,

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

쥐의 뇌에서 봤던 격자 세포와 같은 부분입니다.

So back to Homer.

그럼 호머 이야기로 돌아가서요.

He's probably remembering where his car was

호머는 어디에 주차를 했었는지를

in terms of the distances and directions

주차했던 위치 주변의 확장된 건물과

to extended buildings and boundaries

경계선의 거리와 방향을 가지고

around the location where he parked.

기억하고 있을 겁니다.

And that would be represented

그 기억은 경계 탐지 세포가

by the firing of boundary-detecting cells.

작동하여 그려질 것입니다.

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

또한 격자 세포들이 작동하여

which would be represented in the firing of grid cells.

주차장에서 빠져나가는 경로를 기억할 것입니다.

Now both of these kinds of cells

이런 두종류의 세포들이

can make the place cells fire.

장소 세포들이 작동하도록 만들죠.

And he can return to the location where he parked

그리고 호머는 이전에 주차했던

by moving so as to find where it is

저장된 패턴과 현재 머리 속에서

that best matches the firing pattern

작동하는 장소 세포들의 패턴중

of the place cells in his brain currently

가장 잘 맞는 패턴을 찾아서

with the stored pattern where he parked his car.

주차한 위치로 돌아 갈 수 있게 되는것이죠.

And that guides him back to that location

이런 방식이

irrespective of visual cues

시각적인 신호에 관계없이

like whether his car's actually there.

호머를 주차위치로 돌아가게 도와 주는것이죠.

Maybe it's been towed.

아마 그냥 끌고 나올 수 도 있겠죠.

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

하지만 호머는 어디에 차가 있는지 알고 가서 가져옵니다.

So beyond spatial memory,

공간 기억을 넘어서,

if we look for this grid-like firing pattern

전체 뇌를 통해 격자 모양의

throughout the whole brain,

작동 패턴을 찾아보면,

we see it in a whole series of locations

예를들어, 지난번에 갔었던 예식장을

which are always active

기억하는것 처럼 자신 기억속에 있는

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

모든 일들을 기억해 낼때 활성화되는

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

일련의 위치들에서 찾아 볼 수 있습니다.

So it may be that the neural mechanisms

우리 주변의 공간을 표시하는

for representing the space around us

신경 메커니즘은

are also used for generating visual imagery

시각적인 형상을 생성하는데 사용되는데요,

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

그래서 우리는 상상할 때 우리에게 발생하는

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

공간 장면을 다시 만들어 낼 수 있습니다.

So if this was happening,

그래서 이런 현상이 일어나면,

your memories could start by place cells activating each other

여러분의 기억들은 밀접하게 연결된

via these dense interconnections

장소 세포들이 서로 활성화해주어 기억이 시작되고

and then reactivating boundary cells

여러분의 시야에 들어오는 장면들의

to create the spatial structure

공간구조를 만들기 위해

of the scene around your viewpoint.

경계 세포들을 재 활성화 하는것 입니다.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

그리고 격자 세포들이 공간을 통해서 시야를 움직이죠.

Another kind of cell, head direction cells,

아직 언급하지 않는 또다른 세포인,

which I didn't mention yet,

직진 방향 세포는

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

사람이 마주치게 되는 방법에 의해 나침반 처럼 작동합니다.

They could define the viewing direction

이 세포들은 시각적인 형상화에서

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

하나의 이미지를 생성하는 것에서 시야의 방향을 정의합니다.

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

그래서 예를들어, 이 결혼식을 참석했을 때 무슨일이 있었는지 상상할 수 있습니다.

So this is just one example

이것이 우리의 뇌를

of a new era really

이루고 있는 수십억개의 뉴런들의 작용에서

in cognitive neuroscience

사람이 어떻게 기억하는지,

where we're beginning to understand

또는 상상하고, 사고하는가 처럼

psychological processes

심리적인 과정을

like how you remember or imagine or even think

이해하기 시작한

in terms of the actions

인지 신경과학의

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

한가지 예입니다.

Thank you very much.

대단히 감사합니다.

(Applause)

(박수)