Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Translator: Matīss Litvins Reviewer: Kristaps Kadiķis

When we park in a big parking lot,

Mums novietojot auto lielā stāvvietā,

how do we remember where we parked our car?

kā mēs atceramies, kur novietojām savu auto?

Here's the problem facing Homer.

Šī ir problēma, ar kuru saskaras Homērs.

And we're going to try to understand

Mēs centīsimies saprast,

what's happening in his brain.

kas notiek viņa smadzenēs.

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

Tātad, sāksim ar hipokampa rajonu, attēlotu dzeltenā krāsā,

which is the organ of memory.

kas ir atmiņas orgāns.

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

Ja jums tur ir bojājums, kā piemēram Alcheimera slimības gadījumā,

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

jūs nespējat atcerēties dažādas lietas, tostarp to, kur novietojāt auto.

It's named after Latin for "seahorse,"

Tā nosaukums no latīņu valodas tulkojas kā „jūraszirdziņš”,

which it resembles.

ko tas vizuāli atgādina.

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

Tāpat kā pārējās smadzenes to veido neironi.

So the human brain

Cilvēka smadzenēs

has about a hundred billion neurons in it.

ir apmēram simts miljardi neironu.

And the neurons communicate with each other

Tie sazinās viens ar otru,

by sending little pulses or spikes of electricity

sūtot nelielus impulsus jeb elektrības „pīķus”

via connections to each other.

cauri savstarpējiem savienojumiem.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

Hipokamps ir veidots no diviem šūnu slāņiem,

which are very densely interconnected.

kuri ir ļoti cieši savstarpēji savienoti.

And scientists have begun to understand

Zinātnieki ir sākuši saprast,

how spatial memory works

kā darbojas telpiskā atmiņa,

by recording from individual neurons

ierakstot atsevišķu neironu [impulsus]

in rats or mice

no žurkām vai pelēm,

while they forage or explore an environment

tām pētot apkārtni

looking for food.

barības meklējumos.

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

Mēs iedomāsimies, ka ierakstām viena neirona [impulsus]

in the hippocampus of this rat here.

šīs žurkas hipokampā.

And when it fires a little spike of electricity,

Tam raidot elektrisko impulsu,

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

parādīsies sarkans punkts un būs dzirdams klikšķis.

So what we see

Mēs redzam, ka

is that this neuron knows

neirons zina,

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

kad žurka ir nonākusi vienā konkrētā vietā.

And it signals to the rest of the brain

Tad tas signalizē pārējām smadzenēm,

by sending a little electrical spike.

sūtot nelielu elektrisko impulsu.

So we could show the firing rate of that neuron

Mēs varam attēlot neirona raidīšanas biežumu

as a function of the animal's location.

kā dzīvnieka atrašanās vietas funkciju.

And if we record from lots of different neurons,

Ja mēs ierakstītu datus no daudz un dažādiem neironiem,

we'll see that different neurons fire

mēs redzētu, ka, dzīvniekam atrodoties dažādās vietās vidē,

when the animal goes in different parts of its environment,

katrā vietā raida citi neironi,

like in this square box shown here.

kā attēlots šajos kvadrātos.

So together they form a map

Kopā tie veido karti

for the rest of the brain,

pārējām smadzenēm,

telling the brain continually,

nepārtraukti sakot smadzenēm:

"Where am I now within my environment?"

„Kur es pašlaik atrodos?”

Place cells are also being recorded in humans.

Dati par šo šūnu darbību tiek ierakstīti arī no cilvēku smadzenēm.

So epilepsy patients sometimes need

Epilepsijas pacientiem reizēm nepieciešama

the electrical activity in their brain monitoring.

smadzeņu elektriskās aktivitātes novērošana.

And some of these patients played a video game

Daži no pacientiem spēlēja datorspēli,

where they drive around a small town.

kurā tiem bija jābraukā apkārt pa mazu pilsētiņu.

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

Atrašanās vietas šūnas viņu hipokampos aktivizējās

start sending electrical impulses

un sāka raidīt elektrisko impulsus,

whenever they drove through a particular location in that town.

tiem braucot garām noteiktai vietai šajā pilsētiņā.

So how does a place cell know

Kā gan atrašanās vietas šūna zina,

where the rat or person is within its environment?

kur žurka vai cilvēks atrodas apkārtējā vidē?

Well these two cells here

Šīs divas šūnas

show us that the boundaries of the environment

mums parāda, ka apkārtējās vides robežas

are particularly important.

ir īpaši nozīmīgas.

So the one on the top

Augšējā

likes to fire sort of midway between the walls

raida apmēram pusceļā starp kastes sienām,

of the box that their rat's in.

kurā atrodas žurka.

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

Paplašinot kasti, paplašinās arī raidīšanas diapazons.

The one below likes to fire

Apakšējā savukārt raida tad,

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

kad dienvidu pusē tuvumā atrodas siena.

And if you put another wall inside the box,

Ja kastē tiek ielikta starpsiena,

then the cell fires in both place

šūna raida abās vietās

wherever there's a wall to the south

pie dienvidu pusē esošas sienas

as the animal explores around in its box.

dzīvniekam pārvietojoties pa kasti.

So this predicts

Tas ļauj izteikt minējumu,

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

ka apkārt esošo robežu attāluma un virziena sajušana

extended buildings and so on --

ir īpaši svarīga hipokampam.

is particularly important for the hippocampus.

Un tiešām hipokampa pievados

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

ir atrodamas šūnas, kas raida hipokampā

cells are found which project into the hippocampus,

un atbild tieši par

which do respond exactly

robežu vai malu noteikšanu

to detecting boundaries or edges

noteiktā attālumā un virzienā

at particular distances and directions

no žurkas vai peles,

from the rat or mouse

tai pētot apkārtni.

as it's exploring around.

Šūna, ko redzat kreisajā pusē,

So the cell on the left, you can see,

raida impulsus, tiklīdz dzīvnieks nonāk tuvumā

it fires whenever the animal gets near

sienai vai robežai austrumu pusē,

to a wall or a boundary to the east,

neatkarīgi no tā

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

vai tā ir kastes siena vai stūris,

or the circular wall of the circular box

vai pat vieta, kur iespējams nokrist no galda malas un kurai dzīvnieki skraida apkārt.

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

no galda malas un kurai dzīvnieki skraida apkārt.

And the cell on the right there

Šūna labajā pusē raida impulsus,

fires whenever there's a boundary to the south,

kad robeža atrodas dienvidu pusē,

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

vienalga vai tā ir iespēja nokrist no galda malas, vai siena,

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

vai pat sprauga starp diviem gandrīz blakus novietotiem galdiem.

So that's one way in which we think

Tas ir viens no veidiem, kā mēs domājam, ka

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

atrašanās vietas šūnas nosaka dzīvnieka atrašanās vietu, tam izzinot apkārtni.

We can also test where we think objects are,

Mēs varam arī pārbaudīt, kur mūsuprāt vienkāršā vidē

like this goal flag, in simple environments --

atrodas tādi objekti kā šis karodziņš

or indeed, where your car would be.

vai arī, kur varētu atrasties jūsu auto.

So we can have people explore an environment

Mēs varam ļaut cilvēkiem izpētīt apkārtni

and see the location they have to remember.

un redzēt atrašanās vietu, ko tiem jāatceras.

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

Pēc tam, atgriežot viņus atpakaļ šajā pašā apkārtnē

generally they're quite good at putting a marker down

kopumā viņiem veicas diezgan labi ar atzīmes novietošanu tajā vietā,

where they thought that flag or their car was.

kur, viņuprāt, atrodas šis karogs vai viņu auto.

But on some trials,

Taču atsevišķos mēģinājumos

we could change the shape and size of the environment

mēs varam izmainīt pētījuma vides formu un izmēru

like we did with the place cell.

tāpat, kā mēs to darījām ar atrašanās vietas šūnām.

In that case, we can see

Tādā gadījumā mēs redzam,

how where they think the flag had been changes

kā tas, kur, viņuprāt, karogs ir atradies, izmainās

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

kā funkcija atkarībā no tā, kā tiek mainīts apkārtējās vides izmērs un forma.

And what you see, for example,

Piemēram, tas, ko redzat gadījumā,

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

ja karogs atrastos tur, kur kvadrātā atzīmēts krustiņš,

and then if you ask people where it was,

un tad jūs pajautātu cilvēkiem, kur tas atradās,

but you've made the environment bigger,

pēc tam, kad būtu palielinājuši iespējamo telpu,

where they think the flag had been

vieta, kur, viņuprāt, ir atradies karogs

stretches out in exactly the same way

izstiepjas tieši tāda pašā veidā,

that the place cell firing stretched out.

kā atrašanās vietas šūnu raidīto impulsu apgabals.

It's as if you remember where the flag was

Tas darbojas it kā jūs atcerētos, kur atradās karogs,

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

ierakstot atrašanās vietas šūnu konkrētajā vietā raidīto

at that location,

impulsu paraugu,

and then you can get back to that location

un pēc tam varat atgriezties noteiktajā vietā

by moving around

pārvietojoties apkārtnē līdz brīdim,

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

kad atrašanās vietas šūnu raidītie impulsi vislabāk sakrīt

with that stored pattern.

ar ierakstīto impulsu sistēmu.

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

Tādā veidā jūs nonākat atpakaļ vēlamajā atrašanās vietā.

But we also know where we are through movement.

Bet mēs zinām arī to, ka mēs kustamies.

So if we take some outbound path --

Ja mēs izvēlamies kādu tālāku ceļu,

perhaps we park and we wander off --

piemēram, novietojam auto un aizklīstam,

we know because our own movements,

balstoties uz mūsu kustībām,

which we can integrate over this path

kuras mēs saskaņojam ar veicamo ceļu,

roughly what the heading direction is to go back.

tā rezultātā mēs apmēram zinām, kādā virzienā mums jādodas atpakaļ.

And place cells also get this kind of path integration input

Atrašanās vietas šūnas iegūst šo informācijas ievadi

from a kind of cell called a grid cell.

no šūnām, ko sauc par režģa šūnām.

Now grid cells are found, again,

Režģa šūnas ir vienas no

on the inputs to the hippocampus,

informācijas ievadītājām hipokampā,

and they're a bit like place cells.

un tās ir mazliet līdzīgas atrašanās vietas šūnām.

But now as the rat explores around,

Žurkai pētot apkārtni,

each individual cell fires

katra noteikta šūna raida impulsu

in a whole array of different locations

veselā virknē dažādu atrašanās vietu,

which are laid out across the environment

kuras izvietotas telpā

in an amazingly regular triangular grid.

pārsteidzoši trīsstūrveidīgā režģī.

And if you record from several grid cells --

Ierakstot impulsus no dažādām režģa šūnām,

shown here in different colors --

kas šeit attēlotas dažādās krāsās,

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

katra no tām veido režģveidīgu raidīšanas sistēmu,

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

un katras šūnas raidīšana ir nedaudz nobīdīta

relative to the other cells.

attiecībā pret pārējām šūnām.

So the red one fires on this grid

Sarkanās raida šajā režģī,

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

zaļās šajā un zilās šajā.

So together, it's as if the rat

Kopumā var teikt, ka žurka

can put a virtual grid of firing locations

var nospraust virtuālu impulsu raidīšanas režģi

across its environment --

vidē, kurā tā atrodas,

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

kā garuma un platuma līnijas kartēs,

but using triangles.

tikai trīsstūrveida.

And as it moves around,

Tai pārvietojoties,

the electrical activity can pass

elektriskais impulss var pāriet

from one of these cells to the next cell

no vienas šī veida šūnas uz nākamo,

to keep track of where it is,

lai izsekotu atrašanās vietai.

so that it can use its own movements

Tādējādi kustēšanās var tikt izmantota,

to know where it is in its environment.

lai zinātu savu atrašanās vietu apkārtnē.

Do people have grid cells?

Vai cilvēkiem ir režģa šūnas?

Well because all of the grid-like firing patterns

Tā kā visām režģveidīgajām impulsu sistēmām

have the same axes of symmetry,

ir tās pašas simetrijas asis,

the same orientations of grid, shown in orange here,

tie paši režģa virzieni, šeit iekrāsoti oranži,

it means that the net activity

tas nozīmē to, ka visu režģa šūnu

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

kopējai aktivitātei vienā noteiktā smadzeņu daļā

should change

vajadzētu mainīties

according to whether we're running along these six directions

atkarībā no tā, vai mēs dodamies kādā no šiem sešiem virzieniem,

or running along one of the six directions in between.

vai vienā no sešiem starpvirzieniem.

So we can put people in an MRI scanner

Mēs varam ielikt cilvēku magnētiskās rezonanses skenerī

and have them do a little video game

un iedot paspēlēt vienkāršu,

like the one I showed you

iepriekš redzēto datorspēli

and look for this signal.

un meklēt šos signālus.

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

Patiesi tos var redzēt cilvēka smadzeņu entorhinālajā garozā,

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

kas ir tā pati smadzeņu daļa, kurā žurkām atrodas režģa šūnas.

So back to Homer.

Atgriežamies pie Homēra.

He's probably remembering where his car was

Viņš iespējams atceras sava auto atrašanās vietu

in terms of the distances and directions

kā virzienus un attālumus

to extended buildings and boundaries

līdz dažādām celtnēm un robežām

around the location where he parked.

auto novietojuma apkārtnē.

And that would be represented

Tas var tikt attēlots kā

by the firing of boundary-detecting cells.

robežu nosakošo šūnu impulsu raidījums.

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

Vēl viņš atceļas ceļu, pa kuru devās projām no auto novietnes.

which would be represented in the firing of grid cells.

Tas var tikt attēlots kā režģa šūnu impulsu raidījums.

Now both of these kinds of cells

Abu šo veidu šūnas

can make the place cells fire.

var likt atrašanās vietas šūnām raidīt impulsus.

And he can return to the location where he parked

Un viņš var atgriezties vietā, kur novietots auto,

by moving so as to find where it is

pārvietojoties, meklējot vietu, kurā

that best matches the firing pattern

raidītie impulsi vislabāk sakrīt

of the place cells in his brain currently

ar atmiņā esošajiem impulsiem no vietas,

with the stored pattern where he parked his car.

kur tika atstāts auto.

And that guides him back to that location

Tādā veidā viņš nonāk atpakaļ pie īstās vietas

irrespective of visual cues

neatkarīgi no vizuālajiem mājieniem,

like whether his car's actually there.

kā tie, vai viņa auto tur patiešām atrodas.

Maybe it's been towed.

Iespējams tas ir aizvilkts.

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

Taču viņš zina, kur tā bija un kā līdz tai aiziet.

So beyond spatial memory,

Ārpus telpiskās atmiņas,

if we look for this grid-like firing pattern

ja mēs meklējam šo režģveidīgo impulsu raidīšanas sistēmu

throughout the whole brain,

visās smadzenēs,

we see it in a whole series of locations

mēs varam to atrast veselā virknē vietu,

which are always active

kuras vienmēr ir aktīvas

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

pildot dažāda veida autobiogrāfiskus atmiņas uzdevumus,

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

piemēram, mēģinot atcerēties, kad pēdējoreiz devāmies uz kāzām.

So it may be that the neural mechanisms

Tātad iespējams, ka apkārtējās

for representing the space around us

telpas attēlošanā izmantotie mehānismi

are also used for generating visual imagery

tiek izmantoti arī vizuālo attēlu ģenerēšanai,

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

lai mēs varētu atveidot no jauna telpisku ainu

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

ar mums notikušajiem notikumiem, mums vēloties tos atcerēties.

So if this was happening,

Ja tā būtu,

your memories could start by place cells activating each other

jūsu atmiņas sāktos ar vienai otru cauri savstarpējiem

via these dense interconnections

savienojumiem aktivizējošām vietas šūnām

and then reactivating boundary cells

un tad no jauna aktivizējošām robežu šūnām,

to create the spatial structure

lai izveidotu vietas telpisko struktūru

of the scene around your viewpoint.

attiecībā pret jūsu skatupunktu.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

Režģa šūnas varētu pārvietot šo skatupunktu telpā.

Another kind of cell, head direction cells,

Vēl cita veida šūnas – galvas virziena šūnas -,

which I didn't mention yet,

kuras es vēl netiku pieminējis,

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

raida impulsus līdzīgi kā kompass atkarībā kādā virzienā cilvēks skatās.

They could define the viewing direction

Šīs šūnas varētu noteikt skatiena virzienu,

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

no kura vēlaties radīt attēlu savam vizuālajam attēlojumam,

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

lai, piemēram, varētu iedomāties, kas notika šajās kāzās jums tur esot.

So this is just one example

Šis ir tikai viens piemērs

of a new era really

patiesi jaunai ērai

in cognitive neuroscience

kognitīvajā neirozinātnē,

where we're beginning to understand

mums sākot izprast

psychological processes

psiholoģiskos procesus,

like how you remember or imagine or even think

piemēram, to kā jūs atceraties vai iztēlojaties vai pat domājat

in terms of the actions

attiecībā uz mūsu smadzenes veidojošo

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

miljardu atsevišķu neironu darbībām.

Thank you very much.

Liels paldies.

(Applause)

(Aplausi)