Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Tłumaczenie: Marcin Mituniewicz Korekta: Maciej Czerniakowski

When we park in a big parking lot,

Kiedy parkujemy na dużym parkingu,

how do we remember where we parked our car?

jak pamiętamy gdzie zostawiliśmy samochód?

Here's the problem facing Homer.

Homer stanął przed tym problemem.

And we're going to try to understand

Spróbujemy zrozumieć

what's happening in his brain.

co dzieje się w jego mózgu.

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

Zaczniemy od hipokampu, w kolorze żółtym,

which is the organ of memory.

który jest organem pamięci.

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

Jeśli jest uszkodzony, jak przy Alzheimerze,

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

nie pamięta się rzeczy takich jak miejsce zaparkowania auta.

It's named after Latin for "seahorse,"

Po łacinie to konik morski,

which it resembles.

którego przypomina.

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

Jak pozostałe części mózgu, budują go neurony.

So the human brain

W ludzkim mózgu

has about a hundred billion neurons in it.

istnieją setki miliardów neuronów.

And the neurons communicate with each other

Neurony komunikują się ze sobą

by sending little pulses or spikes of electricity

wysyłając niewielkie impulsy elektryczne

via connections to each other.

przez wspólne połączenia.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

Hipokamp składa się z dwóch warstw komórek,

which are very densely interconnected.

bardzo gęsto połączonych ze sobą.

And scientists have begun to understand

Naukowcy zaczęli rozumieć

how spatial memory works

jak działa pamięć przestrzenna,

by recording from individual neurons

rejestrując pojedyncze neurony

in rats or mice

u szczurów i myszy,

while they forage or explore an environment

gdy eksplorują dane środowisko

looking for food.

w poszukiwaniu jedzenia.

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

Wyobraźmy sobie, że rejestrujemy działanie pojedynczego neuronu

in the hippocampus of this rat here.

w hipokampie tego szczura.

And when it fires a little spike of electricity,

Gdy wystrzeliwuje impuls elektyczny,

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

zobaczymy czerwoną kropkę i usłyszymy dźwięk.

So what we see

Zobaczymy, że neuron wie,

is that this neuron knows

Zobaczymy, że neuron wie,

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

że szczur przemieszcza się do konkretnego miejsca.

And it signals to the rest of the brain

Sygnalizuje to reszcie mózgu,

by sending a little electrical spike.

wysyłając mały impuls elektryczny.

So we could show the firing rate of that neuron

Możemy przedstawić częstotliwość wystrzałów

as a function of the animal's location.

jako funkcję lokalizacji zwierzęcia.

And if we record from lots of different neurons,

Jeśli zarejestrujemy wiele innych neuronów,

we'll see that different neurons fire

zauważymy że wystrzeliwują,

when the animal goes in different parts of its environment,

gdy zwierzę podąża w inne miejsca w otoczeniu,

like in this square box shown here.

jak przedstawione tu pudełko.

So together they form a map

Razem tworzą mapę

for the rest of the brain,

dla reszty mózgu,

telling the brain continually,

powtarzając mu

"Where am I now within my environment?"

"Gdzie znajduję się teraz w moim otoczeniu"?

Place cells are also being recorded in humans.

Komórki miejsca zaobserwowano też u ludzi.

So epilepsy patients sometimes need

Pacjenci z epilepsją czasem potrzebują

the electrical activity in their brain monitoring.

stymulacji elektrycznej podczas monitorowania mózgu.

And some of these patients played a video game

Niektórzy z nich grali w grę video,

where they drive around a small town.

w której jeździli po miasteczku.

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

Komórki miejsca w ich hipokampie wystrzeliwały,

start sending electrical impulses

wysyłając impulsy elektryczne,

whenever they drove through a particular location in that town.

gdy przejeżdżali przez określone lokacje w mieście.

So how does a place cell know

Jak komórka miejsca wie,

where the rat or person is within its environment?

gdzie w swoim otoczeniu znajduje się szczur lub człowiek?

Well these two cells here

Widoczne tu dwie komórki

show us that the boundaries of the environment

wskazują, że granice otoczenia

are particularly important.

są szczególnie istotne.

So the one on the top

Komórka widoczna u góry

likes to fire sort of midway between the walls

wystrzeliwuje blisko środka pudełka,

of the box that their rat's in.

w którym znajduje się szczur.

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

Gdy rozszerzymy pudełko, obszar wystrzału też się rozszerza.

The one below likes to fire

Komórka na dole wystrzeliwuje,

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

kiedy blisko na południu jest ściana.

And if you put another wall inside the box,

Jeśli w pudełku umieścimy dodatkową ścianę,

then the cell fires in both place

komórka wystrzeliwuje w obu częściach,

wherever there's a wall to the south

gdziekolwiek mamy ścianę na południu,

as the animal explores around in its box.

którą napotka zwierzę, poruszając się po pudełku.

So this predicts

To pokazuje,

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

że wyczuwanie dystansu i kierunku,

extended buildings and so on --

jak w dużym budynku,

is particularly important for the hippocampus.

jest szczególnie istotne dla hipokampu.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

Istotnie u wejść do hipokampu

cells are found which project into the hippocampus,

odnajdujemy komórki oddziałujące na niego,

which do respond exactly

odpowiadające dokładnie

to detecting boundaries or edges

na wykrywanie granic i krawędzi,

at particular distances and directions

w ramach dystansów i kierunków

from the rat or mouse

obieranych przez gryzonie,

as it's exploring around.

gdy eksplorują obszar.

So the cell on the left, you can see,

Komórka, którą widać po lewej

it fires whenever the animal gets near

wystrzeliwuje, gdy zwierzę zbliża się

to a wall or a boundary to the east,

do ściany lub granicy na wschodzie,

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

zarówno jeśli jest to ściana kwadratowego pudełka,

or the circular wall of the circular box

jak i okrągłego,

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

czy nawet krawędź stołu, po którym zwierzęta biegają.

And the cell on the right there

Komórka po prawej

fires whenever there's a boundary to the south,

wystrzeliwuje, gdy granica jest na południu,

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

gdy jest to krawędź stołu lub ściana,

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

czy nawet przerwa między stołami.

So that's one way in which we think

To jeden ze sposobów na pojęcie tego

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

jak komórki miejsca wyznaczają, gdzie znajduje się zwierzę.

We can also test where we think objects are,

Możemy też przetestować skąd wiemy, gdzie znajdują się

like this goal flag, in simple environments --

przedmioty, jak ta flaga, w prostym otoczeniu,

or indeed, where your car would be.

lub gdzie szukać swojego samochodu.

So we can have people explore an environment

Badani mogą eksplorować otoczenie

and see the location they have to remember.

i zapamiętywać oglądane lokacje.

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

Jeśli potem umieścimy ich znów w tym otoczeniu

generally they're quite good at putting a marker down

dość sprawnie oznaczają miejsca,

where they thought that flag or their car was.

w których myśleli, że znajduje się flaga lub auto.

But on some trials,

Jednak w niektórych badaniach

we could change the shape and size of the environment

możemy zmieniać kształt i rozmiar otoczenia,

like we did with the place cell.

jak było to w przypadku komórki miejsca.

In that case, we can see

W tym wypadku widzimy,

how where they think the flag had been changes

jak zmienia się domniemana przez nich lokalizacja flagi,

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

w zależności od zmian w kształcie i rozmiarach otoczenia.

And what you see, for example,

Tu na przykład widzimy,

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

że jeśli flaga była w miejscu krzyżyka w małym, kwadratowym otoczeniu

and then if you ask people where it was,

i jeśli spytamy ludzi gdzie się znajdowała,

but you've made the environment bigger,

ale powiększymy otoczenie, obszar,

where they think the flag had been

w którym myślą, że flaga się znajdowała

stretches out in exactly the same way

rozszerza się dokładnie tak samo,

that the place cell firing stretched out.

jak wzór zasięgu wystrzałów komórek miejsca.

It's as if you remember where the flag was

To tak jakbyśmy pamiętali, gdzie była flaga

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

dzięki rejestrowaniu wzorca wystrzałów wszystkich komórek miejsca w tej lokacji,

at that location,

dzięki rejestrowaniu wzorca wystrzałów wszystkich komórek miejsca w tej lokacji,

and then you can get back to that location

do której możemy powrócić,

by moving around

dzięki poruszaniu się wokół,

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

aby najlepiej dopasować bieżący wzorzec wystrzałów

with that stored pattern.

do tego zapamiętanego.

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

To prowadzi nas z powrotem do lokalizacji, którą chcemy zapamiętać.

But we also know where we are through movement.

Dzięki poruszaniu się wiemy, gdzie się znajdujemy.

So if we take some outbound path --

Jeśli pójdziemy ścieżką wyjściową -

perhaps we park and we wander off --

jak wtedy, gdy parkujemy i odchodzimy -

we know because our own movements,

którą znamy dzięki poruszaniu się -

which we can integrate over this path

to na podstawie tej ścieżki

roughly what the heading direction is to go back.

możemy z grubsza wyznaczyć powrotną drogę.

And place cells also get this kind of path integration input

Komórki miejsca również otrzymują podobne dane,

from a kind of cell called a grid cell.

dzięki komórkom siatkowym.

Now grid cells are found, again,

Komórki te znajdują się

on the inputs to the hippocampus,

u wejść do hipokampu,

and they're a bit like place cells.

są nieco podobne do komórek miejsca.

But now as the rat explores around,

Jednak w tym przypadku

each individual cell fires

każda komórka szczura wystrzeliwuje

in a whole array of different locations

w szereg różnych miejsc,

which are laid out across the environment

rozłożonych w otoczeniu

in an amazingly regular triangular grid.

w zadziwiająco regularną trójkątną siatkę.

And if you record from several grid cells --

Jeśli zarejestrujemy kilka komórek siatkowych -

shown here in different colors --

pokazanych tu w różnych kolorach -

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

każda z nich wystrzeliwując, tworzy siatkowaty wzór,

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

a każdy z tych wzorów zmienia się lekko

relative to the other cells.

relatywnie do pozostałych komórek.

So the red one fires on this grid

Czerwona wystrzeliwuje na tę siatkę,

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

zielona na tę, a niebieska na tamtą.

So together, it's as if the rat

Wygląda to tak, jakby szczur

can put a virtual grid of firing locations

nakładał siatkę "wystrzeliwanych" lokacji

across its environment --

w swoim otoczeniu -

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

to coś, jak długość i szerokość geograficzna na mapie,

but using triangles.

ale z użyciem trójkątów.

And as it moves around,

Kiedy się porusza,

the electrical activity can pass

ma miejsce przewodzenie elektryczne

from one of these cells to the next cell

między jedną a drugą komórką,

to keep track of where it is,

aby wiedział, gdzie się znajduje,

so that it can use its own movements

aby dzięki własnemu ruchowi

to know where it is in its environment.

znał swoją pozycję w otoczeniu.

Do people have grid cells?

Czy ludzie mają komórki siatkowe?

Well because all of the grid-like firing patterns

Ponieważ wszystkie wzorce siatkowe

have the same axes of symmetry,

mają taką samą oś symetrii,

the same orientations of grid, shown in orange here,

takie samo położenie, co widać tu na pomarańczowo,

it means that the net activity

oznacza to, że aktywność

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

wszystkich komórek siatkowych w danej części mózgu

should change

powinna zmieniać się

according to whether we're running along these six directions

w zależności, czy poruszamy się w tych sześciu kierunkach,

or running along one of the six directions in between.

czy w ramach jednego z nich, pomiędzy sześcioma kierunkami.

So we can put people in an MRI scanner

Wykonując rezonans magnetyczny

and have them do a little video game

i pozwalając komuś zagrać w grę video,

like the one I showed you

którą widzieliście wcześniej,

and look for this signal.

możemy szukać sygnału.

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

Znajdziemy go w ludzkiej korze śródwęchowej,

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

która jest analogiczna do części z komórkami siatkowymi u szczura.

So back to Homer.

Wracając do Homera.

He's probably remembering where his car was

Zapewne pamięta gdzie zostawił auto

in terms of the distances and directions

w oparciu o dystanse i kierunki

to extended buildings and boundaries

w odniesieniu do budynków i granic

around the location where he parked.

w okolicy, w której zaparkował.

And that would be represented

Widać to na podstawie

by the firing of boundary-detecting cells.

wystrzeliwania przez komórki graniczne.

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

Zapamiętał też ścieżkę prowadzącą z parkingu,

which would be represented in the firing of grid cells.

którą obrazują wystrzały komórek siatkowych.

Now both of these kinds of cells

Oba te rodzaje komórek mogą powodować

can make the place cells fire.

wystrzeliwanie przez komórki miejsca.

And he can return to the location where he parked

Może powrócić do miejsca, gdzie zaparkował

by moving so as to find where it is

poruszając się tak, żeby odnaleźć

that best matches the firing pattern

wzorzec wystrzeliwania przez komórki miejsca najbardziej podobny

of the place cells in his brain currently

wzorzec wystrzeliwania przez komórki miejsca najbardziej podobny

with the stored pattern where he parked his car.

do tego, jaki zarejestrował jego mózg, gdy parkował auto.

And that guides him back to that location

W ten sposób trafia w to miejsce,

irrespective of visual cues

niezależnie od przesłanek wzrokowych,

like whether his car's actually there.

jak ta, czy samochód faktycznie tam jest.

Maybe it's been towed.

Może go odholowali.

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

Ale on wie gdzie to było, więc wie też żeby tam się udać.

So beyond spatial memory,

Poza pojęciem pamięci przestrzennej,

if we look for this grid-like firing pattern

jeśli spojrzymy na wzorce siatkowe

throughout the whole brain,

w całym mózgu,

we see it in a whole series of locations

zobaczymy że znajdują się w wielu miejscach,

which are always active

które są zawsze aktywne,

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

kiedy uruchamiamy pamięć autobiograficzną,

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

jak na przykład pamiętanie, kiedy ostatnio poszliśmy na ślub.

So it may be that the neural mechanisms

Być może mechanizmy neuronalne

for representing the space around us

pozwalające odwzorować przestrzeń wokół nas,

are also used for generating visual imagery

odpowiadają też za myślowe obrazowanie,

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

abyśmy mogli odtworzyć przestrzenny obraz

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

wydarzeń, w których uczestniczyliśmy.

So if this was happening,

Jeśli tak się dzieje,

your memories could start by place cells activating each other

pamięć może być uruchamiana przez aktywujące się komórki miejsca

via these dense interconnections

poprzez ścisłe wzajemne połączenia,

and then reactivating boundary cells

a potem przez reaktywację komórek granicznych,

to create the spatial structure

aby stworzyć przestrzenną strukturę

of the scene around your viewpoint.

sceny w zasięgu naszego widzenia.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

Komórki siatkowe mogą przemieszczać ten punkt widzenia.

Another kind of cell, head direction cells,

Inny rodzaj - komórki kierunku głowy,

which I didn't mention yet,

o których jeszcze nie mówiłem,

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

działają jak kompas, w zależności w którą stronę patrzymy.

They could define the viewing direction

Mogą określić kierunek patrzenia,

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

dla którego generujemy obraz w naszych myślach,

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

aby wyobrazić sobie co działo się, gdy byliśmy na wspomnianym ślubie.

So this is just one example

To tylko jeden ze zwiastunów

of a new era really

nowej ery

in cognitive neuroscience

w kognitywnej neurobiologii,

where we're beginning to understand

gdy zaczynamy rozumieć

psychological processes

procesy psychologiczne,

like how you remember or imagine or even think

jak pamięć, wyobraźnia czy nawet myślenie

in terms of the actions

przez pryzmat aktywności

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

miliardów pojedynczych neuronów budujących nasze mózgi.

Thank you very much.

Dziękuję bardzo.

(Applause)

(brawa)