Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Vertaald door: Rik Delaet Nagekeken door: Christel Foncke

When we park in a big parking lot,

Wanneer we parkeren op een grote parkeerplaats,

how do we remember where we parked our car?

hoe onthouden we dan waar onze auto staat?

Here's the problem facing Homer.

Dat is het probleem van Homer.

And we're going to try to understand

We gaan proberen te begrijpen

what's happening in his brain.

wat er gebeurt in zijn hersenen.

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

We beginnen met de hippocampus (geel),

which is the organ of memory.

het geheugenorgaan.

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

Als hij beschadigd raakt zoals bij de ziekte van Alzheimer,

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

weet je niet meer waar je je auto hebt geparkeerd.

It's named after Latin for "seahorse,"

Hippocampus is Latijn voor ‘zeepaardje’,

which it resembles.

waarop hij lijkt.

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

Hij bestaat, net als de rest van de hersenen, uit neuronen.

So the human brain

De hersenen bevatten

has about a hundred billion neurons in it.

ongeveer honderd miljard neuronen.

And the neurons communicate with each other

De neuronen praten met elkaar

by sending little pulses or spikes of electricity

door het sturen van kleine pulsen of stroompiekjes

via connections to each other.

via onderlinge verbindingen.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

De hippocampus bestaat uit

which are very densely interconnected.

twee zeer dicht verbonden cellagen.

And scientists have begun to understand

Wetenschappers beginnen te begrijpen

how spatial memory works

hoe het ruimtelijk geheugen werkt

by recording from individual neurons

door de signalen van individuele neuronen

in rats or mice

bij ratten of muizen op te nemen

while they forage or explore an environment

terwijl ze foerageren of een omgeving verkennen

looking for food.

op zoek naar voedsel.

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

Stel je voor dat we de signalen van één neuron

in the hippocampus of this rat here.

in de hippocampus van deze rat hier gaan registreren.

And when it fires a little spike of electricity,

Telkens het een stroompuls afgeeft,

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

zien we een rode stip verschijnen en horen we een klik.

So what we see

Dat neuron

is that this neuron knows

herkent het

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

als de rat op een bepaalde plaats in de omgeving terechtkomt.

And it signals to the rest of the brain

En signaleert dat aan de rest van de hersenen

by sending a little electrical spike.

door het sturen van een kleine elektrische puls.

So we could show the firing rate of that neuron

We konden een verband leggen tussen de pulsfrequentie van dat neuron

as a function of the animal's location.

en de plaats van het dier.

And if we record from lots of different neurons,

Als we zo meerdere neuronen volgen,

we'll see that different neurons fire

zien we dat verschillende neuronen vuren

when the animal goes in different parts of its environment,

voor verschillende plaatsen in zijn omgeving,

like in this square box shown here.

zoals in dit vierkant wordt getoond.

So together they form a map

Samen vormen ze een kaart

for the rest of the brain,

voor de rest van de hersenen

telling the brain continually,

door de hersenen voortdurend te vertellen:

"Where am I now within my environment?"

"Waar zit ik nu in mijn omgeving?"

Place cells are also being recorded in humans.

Ook bij de mens kunnen plaatscellen zo worden gevolgd.

So epilepsy patients sometimes need

Voor patiënten met epilepsie is het soms nodig

the electrical activity in their brain monitoring.

dat de elektrische activiteit van hun hersenen wordt geregistreerd.

And some of these patients played a video game

Sommige patiënten speelden een videospelletje

where they drive around a small town.

waarbij ze rondreden in een kleine stad.

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

Plaatscellen in hun hippocampus vuurden, werden actief,

start sending electrical impulses

begonnen elektrische impulsen te verzenden

whenever they drove through a particular location in that town.

wanneer ze een bepaalde locatie in die stad passeerden.

So how does a place cell know

Hoe weet een plaatscel

where the rat or person is within its environment?

waar de rat of de persoon zich in zijn omgeving bevindt?

Well these two cells here

Deze twee cellen hier

show us that the boundaries of the environment

laten ons zien dat vooral de grenzen in de omgeving

are particularly important.

belangrijk zijn.

So the one on the top

De cel aan de bovenkant

likes to fire sort of midway between the walls

vuurt vooral halverwege tussen de wanden

of the box that their rat's in.

van de ruimte waarin de rat zich bevindt.

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

Als je de ruimte groter maakt, gebeurt hetzelfde met de vuurlocatie.

The one below likes to fire

Die hieronder vuurt vooral

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

bij een wand aan de zuidkant.

And if you put another wall inside the box,

Als je nog een wand in de doos aanbrengt,

then the cell fires in both place

vuurt de cel op beide plaatsen

wherever there's a wall to the south

telkens ze in de ruimte

as the animal explores around in its box.

een zuidelijke wand tegenkomt.

So this predicts

Dit toont aan dat het om je heen aftasten

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

van de afstanden en richtingen van de grenzen -

extended buildings and so on --

grotere gebouwen en ga zo maar door -

is particularly important for the hippocampus.

heel belangrijk is voor de hippocampus.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

Inderdaad bevinden zich aan de ingangen naar de hippocampus

cells are found which project into the hippocampus,

cellen die doorlopen in de hippocampus.

which do respond exactly

Ze reageren net

to detecting boundaries or edges

bij het detecteren van grenzen of randen

at particular distances and directions

op bepaalde afstanden en richtingen

from the rat or mouse

van de rat of de muis

as it's exploring around.

die bezig is met verkennen.

So the cell on the left, you can see,

De cel aan de linkerkant, je kan het zien,

it fires whenever the animal gets near

vuurt wanneer het dier in de buurt

to a wall or a boundary to the east,

van een wand of grens in het oosten komt,

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

of het nu de rand of wand is van een vierkant

or the circular wall of the circular box

of de ronde wand van een cirkel

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

of zelfs de rand van een tafel, waarop de dieren rondrennen.

And the cell on the right there

De cel aan de rechterkant vuurt

fires whenever there's a boundary to the south,

bij een zuidelijke grens,

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

of dat nu de rand van een tafel, een wand

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

of de opening tussen twee uit elkaar geschoven tafels is.

So that's one way in which we think

We denken dat plaatscellen zo bepalen

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

waar het dier zich bevindt als het bezig is met verkennen.

We can also test where we think objects are,

Zo kunnen we ook testen waar we denken dat objecten zoals deze vlag

like this goal flag, in simple environments --

zich bevinden in eenvoudige omgevingen -

or indeed, where your car would be.

of waar je auto zou zijn.

So we can have people explore an environment

We kunnen mensen een omgeving laten verkennen

and see the location they have to remember.

en de locatie die ze moeten onthouden, laten zien.

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

Terug in de omgeving

generally they're quite good at putting a marker down

weten ze over het algemeen heel goed de plaats

where they thought that flag or their car was.

waar ze dachten dat de vlag of hun auto was, terug te vinden.

But on some trials,

Bij sommige proeven

we could change the shape and size of the environment

veranderden we de vorm en de afmetingen van de omgeving

like we did with the place cell.

zoals we dat deden met de plaatscel.

In that case, we can see

In dat geval kunnen we zien

how where they think the flag had been changes

hoe hun idee over waar de vlag zich bevond, verandert

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

in functie van hoe je de vorm en de grootte van de omgeving veranderde.

And what you see, for example,

Zo kan je bijvoorbeeld zien dat

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

als de vlag stond waar dat kruis was in een klein vierkant,

and then if you ask people where it was,

en je de mensen vraagt waar ze was,

but you've made the environment bigger,

maar je hebt de omgeving vergroot,

where they think the flag had been

dan breidt de plaats waar ze denken dat de vlag was

stretches out in exactly the same way

op dezelfde wijze uit

that the place cell firing stretched out.

als dat het afvuren van de plaatscel zich uitbreidde.

It's as if you remember where the flag was

Het lijkt alsof je weet waar de vlag was

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

door het opslaan van het patroon van het vuren van alle plaatscellen

at that location,

op die locatie,

and then you can get back to that location

en dan kun je terug die locatie terugvinden

by moving around

door rond te bewegen om de beste overeenstemming te

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

te vinden tussen het huidige patroon van afvuren van je plaatscellen

with that stored pattern.

met dat opgeslagen patroon.

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

Dat leidt je terug naar de locatie die je wilt onthouden.

But we also know where we are through movement.

Maar we weten ook waar we zijn door middel van beweging.

So if we take some outbound path --

Als we naar een uitgang gaan -

perhaps we park and we wander off --

misschien parkeren we en wandelen weg -

we know because our own movements,

dan weten we, omdat we onze eigen bewegingen

which we can integrate over this path

over dit pad kunnen integreren,

roughly what the heading direction is to go back.

wat ongeveer de terugweg is.

And place cells also get this kind of path integration input

Ook de plaatscellen krijgen deze pad-integratieinput

from a kind of cell called a grid cell.

van een zogenaamde rastercel.

Now grid cells are found, again,

Nu worden rastercellen ook aangetroffen

on the inputs to the hippocampus,

aan de ingangen van de hippocampus.

and they're a bit like place cells.

Ze zijn een beetje als plaatscellen.

But now as the rat explores around,

Maar als de rat nu op verkenning gaat,

each individual cell fires

vuurt elke individuele cel

in a whole array of different locations

op een hele reeks verschillende locaties

which are laid out across the environment

die over de omgeving

in an amazingly regular triangular grid.

een verbazingwekkend regelmatig driehoekig raster leggen.

And if you record from several grid cells --

Als je de signalen registreert van meerdere rastercellen -

shown here in different colors --

hier in verschillende kleuren -

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

legt elk een rasterachtig vuurpatroon over de omgeving,

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

en is het rasterachtige vuurpatroon van elke cel iets verschoven

relative to the other cells.

ten opzichte van de andere cellen.

So the red one fires on this grid

De rode vuren op dit raster,

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

de groene op dit en de blauwe op dit.

So together, it's as if the rat

Tesamen is het alsof de rat

can put a virtual grid of firing locations

een virtueel raster van vuurlocaties

across its environment --

over zijn omgeving kan leggen -

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

een beetje zoals de lengte- en breedtegraadlijnen op een landkaart,

but using triangles.

maar dan met driehoeken.

And as it moves around,

Bij het rond bewegen,

the electrical activity can pass

kan de elektrische activiteit

from one of these cells to the next cell

van de ene cel naar de andere overgaan

to keep track of where it is,

om bij te houden waar ze is.

so that it can use its own movements

Ze kan dus haar eigen bewegingen gebruiken

to know where it is in its environment.

om te weten waar ze is.

Do people have grid cells?

Hebben mensen rastercellen?

Well because all of the grid-like firing patterns

Omdat alle rasterachtige vuurpatronen

have the same axes of symmetry,

dezelfde symmetrieassen hebben,

the same orientations of grid, shown in orange here,

dezelfde rasteroriëntaties, hier weergegeven in oranje,

it means that the net activity

betekent dit dat de netactiviteit

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

van alle rastercellen in een bepaald deel van de hersenen

should change

zou moeten veranderen

according to whether we're running along these six directions

al naar gelang we langs deze zes richtingen

or running along one of the six directions in between.

of langs een van de zes tussenrichtingen lopen.

So we can put people in an MRI scanner

We kunnen mensen in een MRI-scanner zetten

and have them do a little video game

en ze een beetje laten videogamen,

like the one I showed you

zoals diegene die ik liet zien,

and look for this signal.

en naar dit signaal zoeken.

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

En inderdaad zie je dat in de menselijke entorinale cortex;

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

dat is hetzelfde deel van de hersenen waar je die rastercellen ziet bij ratten.

So back to Homer.

Terug naar Homer.

He's probably remembering where his car was

Hij onthoudt waarschijnlijk waar zijn auto staat

in terms of the distances and directions

in termen van afstanden en richtingen

to extended buildings and boundaries

naar grotere gebouwen en begrenzingen

around the location where he parked.

rond de locatie waar hij geparkeerd staat.

And that would be represented

Dat zou worden vertegenwoordigd

by the firing of boundary-detecting cells.

door het vuren van grensopsporende cellen.

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

Hij weet ook nog welke route hij volgde bij het verlaten van de parkeerplaats,

which would be represented in the firing of grid cells.

wat dan vertegenwoordigd zou worden door het afvuren van de rastercellen.

Now both of these kinds of cells

Beide soorten cellen

can make the place cells fire.

kunnen de plaatscellen laten vuren.

And he can return to the location where he parked

Hij kan terugkeren naar de plaats waar hij parkeerde

by moving so as to find where it is

door zo te bewegen dat hij de plaats vindt

that best matches the firing pattern

waar het vuurpatroon

of the place cells in his brain currently

van de plaatscellen in zijn hersenen het best overeenkomt

with the stored pattern where he parked his car.

met het opgeslagen patroon toen hij zijn auto parkeerde.

And that guides him back to that location

Dat leidt hem terug naar die locatie

irrespective of visual cues

ongeacht de visuele signalen

like whether his car's actually there.

of zijn auto daar wel staat.

Maybe it's been towed.

Misschien is hij al weggesleept.

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

Maar hij weet waar het was, dus weet hij de plaats te vinden.

So beyond spatial memory,

Maar ook verder dan het ruimtelijk geheugen,

if we look for this grid-like firing pattern

als we zoeken naar dit rasterachtige vuurpatroon

throughout the whole brain,

doorheen de gehele hersenen,

we see it in a whole series of locations

zien we het op een hele reeks locaties

which are always active

die altijd actief zijn

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

als we autobiografische geheugentaken uitvoeren,

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

zoals je bijvoorbeeld herinneren wanneer je laatst naar een bruiloft ging.

So it may be that the neural mechanisms

Het zou kunnen dat de neurale mechanismen

for representing the space around us

om de ruimte om ons heen weer te geven

are also used for generating visual imagery

ook voor het genereren van visuele beelden worden gebruikt,

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

zodat wij de ruimtelijke scène van eerdere gebeurtenissen

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

opnieuw kunnen oproepen.

So if this was happening,

Als dit zo was,

your memories could start by place cells activating each other

konden je herinneringen opkomen doordat plaatscellen elkaar

via these dense interconnections

via deze dichte verbindingen activeerden,

and then reactivating boundary cells

en daarna de grenscellen,

to create the spatial structure

om de ruimtelijke structuur

of the scene around your viewpoint.

van de scène rond je standpunt terug op te roepen.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

Rastercellen bewegen dan dit standpunt door die ruimte.

Another kind of cell, head direction cells,

Een andere soort cellen, hoofdrichtingcellen,

which I didn't mention yet,

die ik nog niet noemde,

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

werken als een kompas voor welke kant je opgaat.

They could define the viewing direction

Ze zouden de kijkrichting kunnen bepalen

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

waarvoor je visuele beelden wil genereren, zodat je je

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

kunt voorstellen wat er gebeurde toen je, bijvoorbeeld, op dit huwelijk was.

So this is just one example

Dit is slechts één voorbeeld

of a new era really

van een nieuw tijdperk

in cognitive neuroscience

in de cognitieve neurowetenschappen

where we're beginning to understand

waar we psychologische processen

psychological processes

beginnen te begrijpen

like how you remember or imagine or even think

zoals hoe je je iets herinnert of voorstelt of zelfs denkt

in terms of the actions

in termen van de acties

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

van de miljarden van individuele neuronen die deel uitmaken van onze hersenen.

Thank you very much.

Heel hartelijk bedankt.

(Applause)

(Applaus)