Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Tradutor: Mia Martin Revisora: Rafael Eufrasio

When we park in a big parking lot,

Quando estacionamos num grande parque,

how do we remember where we parked our car?

como é que nos lembramos onde estacionámos o carro?

Here's the problem facing Homer.

É o problema que Homer enfrenta.

And we're going to try to understand

Vamos tentar compreender

what's happening in his brain.

o que está a acontecer no cérebro dele.

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

Vamos começar pelo hipocampo, mostrado a amarelo,

which is the organ of memory.

que é o órgão da memória.

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

Se têm danos ali, como em Alzheimer,

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

não se lembram de coisas como onde estacionaram o carro.

It's named after Latin for "seahorse,"

O nome vem do latim para "cavalo-marinho,"

which it resembles.

ao qual se assemelha.

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

Como o resto do cérebro, é constituído por neurónios.

So the human brain

O cérebro humano tem cerca de cem mil milhões de neurónios.

has about a hundred billion neurons in it.

And the neurons communicate with each other

Os neurónios comunicam uns com os outros

by sending little pulses or spikes of electricity

enviando pequenos impulsos ou picos de energia

via connections to each other.

através de ligações entre si.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

O hipocampo é formado por dois camadas de células,

which are very densely interconnected.

que estão densamente interligadas.

And scientists have begun to understand

Os cientistas começaram a perceber

how spatial memory works

como é que a memória espacial funciona

by recording from individual neurons

registando neurónios individuais

in rats or mice

em ratazanas ou ratos

while they forage or explore an environment

enquanto eles comem ou exploram um ambiente

looking for food.

à procura de comida.

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

Vamos imaginar que estamos a fazer registos de um único neurónio

in the hippocampus of this rat here.

no hipocampo desta ratazana.

And when it fires a little spike of electricity,

Quando dispara um pequeno pico de eletricidade,

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

vai aparecer uma bola vermelha e ouve-se um clique.

So what we see

Então o que vemos

is that this neuron knows

é que este neurónio sabe

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

sempre que a ratazana foi para um sítio particular no seu ambiente.

And it signals to the rest of the brain

E faz sinal ao resto do cérebro

by sending a little electrical spike.

enviando um pequeno pico elétrico.

So we could show the firing rate of that neuron

Assim podemos apresentar a taxa de disparos que aquele neurónio

as a function of the animal's location.

como uma função da localização do animal.

And if we record from lots of different neurons,

Se fizermos registos de neurónios diferentes,

we'll see that different neurons fire

vemos que esses neurónios disparam

when the animal goes in different parts of its environment,

quando o animal vai para diferentes partes do ambiente,

like in this square box shown here.

como nesta caixa quadrada aqui mostrada.

So together they form a map

Assim, juntos formam um mapa para o resto do cérebro,

for the rest of the brain,

telling the brain continually,

dizendo continuamente ao cérebro:

"Where am I now within my environment?"

"Onde é que eu estou no meu ambiente?"

Place cells are also being recorded in humans.

As células de localização estão a ser registadas em humanos.

So epilepsy patients sometimes need

Os doentes de epilepsia às vezes precisam de monitorizar

the electrical activity in their brain monitoring.

a atividade elétrica do seu cérebro.

And some of these patients played a video game

Alguns desses doentes jogaram um jogo de vídeo

where they drive around a small town.

enquanto conduziam numa pequena cidade.

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

As células de localização do hipocampo disparavam, tornavam-se ativas,

start sending electrical impulses

começando a enviar impulsos elétricos

whenever they drove through a particular location in that town.

sempre que eles conduziam num lugar específico naquela cidade.

So how does a place cell know

Como é que uma célula de localização sabe

where the rat or person is within its environment?

onde é que a ratazana ou pessoa está no seu ambiente?

Well these two cells here

Estas duas células aqui

show us that the boundaries of the environment

mostram-nos que os limites do ambiente são particularmente importantes.

are particularly important.

So the one on the top

O que está em cima

likes to fire sort of midway between the walls

gosta de disparar mais ou menos entre as paredes da caixa

of the box that their rat's in.

da caixa onde está a sua ratazana.

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

E quando expandimos a caixa, os disparos de localização expandem-se.

The one below likes to fire

O que está em baixo gosta de disparar

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

sempre que há uma parede perto na direção de sul.

And if you put another wall inside the box,

Se pusermos outra parede dentro da caixa,

then the cell fires in both place

a célula dispara em ambos os lugares

wherever there's a wall to the south

sempre que exista uma parede a sul

as the animal explores around in its box.

enquanto o animal explora a sua caixa.

So this predicts

Então isto prevê

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

que detetar as distâncias e direções dos limites à nossa volta

extended buildings and so on --

— extensões de edifícios e afins —

is particularly important for the hippocampus.

é particularmente importante para o hipocampo.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

De facto, nos dados reunidos pelo hipocampo,

cells are found which project into the hippocampus,

encontram-se células que se projetam no hipocampo,

which do respond exactly

e que respondem com precisão

to detecting boundaries or edges

a detetarem limites ou margens

at particular distances and directions

a distâncias particulares e direções da ratazana ou rato

from the rat or mouse

as it's exploring around.

enquanto estes exploram.

So the cell on the left, you can see,

A célula da esquerda dispara

it fires whenever the animal gets near

sempre que o animal se aproxima de uma parede ou limite para este,

to a wall or a boundary to the east,

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

quer seja a margem ou parede de uma caixa quadrada

or the circular wall of the circular box

ou a parede circular de uma caixa circular

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

ou até o limite da borda da mesa onde os animais estão a correr.

And the cell on the right there

E a célula da direita aqui

fires whenever there's a boundary to the south,

dispara sempre que há um limite para sul,

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

quer seja o limite da borda da mesa ou uma parede

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

ou mesmo o espaço entre duas mesas separadas.

So that's one way in which we think

Esta é a forma pela qual as células de localização

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

determinam onde está o animal enquanto este explora.

We can also test where we think objects are,

Também podemos testar onde pensamos que estão localizados objetos,

like this goal flag, in simple environments --

como esta bandeirola, em ambientes simples

or indeed, where your car would be.

ou mesmo, onde estará o nosso carro.

So we can have people explore an environment

Podemos pôr pessoas a explorar um ambiente

and see the location they have to remember.

e ver a localização que elas têm de se lembrar.

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

Depois, se os colocarmos de novo no mesmo ambiente,

generally they're quite good at putting a marker down

são bastante eficazes a colocar um marcador

where they thought that flag or their car was.

onde eles pensam que estava a bandeirola ou o seu carro.

But on some trials,

Mas nalguns testes,

we could change the shape and size of the environment

podemos mudar a forma e o tamanho do ambiente

like we did with the place cell.

como fizemos com a célula de localização.

In that case, we can see

Nesse caso, podemos observar

how where they think the flag had been changes

como muda o local que eles pensam ser onde tinha estado a bandeirola muda

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

em função de como mudamos a forma e o tamanho do ambiente.

And what you see, for example,

Vemos, por exemplo, se a bandeirola estava onde está aquela cruz

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

no pequeno ambiente quadrado,

and then if you ask people where it was,

e depois perguntarmos às pessoas onde estava.

but you've made the environment bigger,

Se aumentarmos o ambiente,

where they think the flag had been

o local onde eles pensam que estava a bandeirola

stretches out in exactly the same way

amplia-se exatamente da mesma forma

that the place cell firing stretched out.

que a célula de localização se amplia.

It's as if you remember where the flag was

É como se se lembrassem onde estava a bandeirola

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

guardando o padrão de disparos de todas as células de localização

at that location,

naquele local,

and then you can get back to that location

e depois conseguem voltar àquele local

by moving around

movimentando-se por ali

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

para conseguirem combinarem melhor o padrão atual das células de localização

with that stored pattern.

com o padrão guardado.

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

Isso guia-vos de volta ao local que vocês querem recordar.

But we also know where we are through movement.

Mas também sabemos onde estamos pelo movimento.

So if we take some outbound path --

Se seguirem por um caminho desconhecido

perhaps we park and we wander off --

— talvez tenham estacionado e vagueado um pouco —

we know because our own movements,

sabem, por causa dos vossos movimentos,

which we can integrate over this path

que podem integrar, ao longo do caminho,

roughly what the heading direction is to go back.

qual será a direção para voltar atrás.

And place cells also get this kind of path integration input

As células de localização conseguem este tipo de integração de dados do caminho

from a kind of cell called a grid cell.

de um tipo de célula chamada célula de rede.

Now grid cells are found, again,

As células de rede são encontradas

on the inputs to the hippocampus,

nos dados recolhidos do hipocampo,

and they're a bit like place cells.

e são um pouco como as células de localização.

But now as the rat explores around,

Mas agora enquanto a ratazana explora,

each individual cell fires

cada célula individual dispara

in a whole array of different locations

numa variedade de localizações diferentes

which are laid out across the environment

que estão colocados pelo ambiente

in an amazingly regular triangular grid.

numa rede triangular espantosamente regular.

And if you record from several grid cells --

E se vocês fizerem registos de várias células de rede

shown here in different colors --

— mostradas aqui em cores diferentes —

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

cada uma tem um padrão de disparos semelhantes por todo o ambiente,

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

e cada padrão de disparo de células da rede muda ligeiramente

relative to the other cells.

em comparação com as outras células.

So the red one fires on this grid

A vermelha dispara nesta rede

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

e a verde naquela ali e a azul dispara nesta aqui.

So together, it's as if the rat

Em conjunto, é como se a ratazana

can put a virtual grid of firing locations

conseguisse ativar uma rede virtual de locais de disparos

across its environment --

pelo seu ambiente

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

um pouco como as linhas de latitude e a longitude

but using triangles.

que encontramos nos mapas, mas usando triângulos.

And as it moves around,

E enquanto se move,

the electrical activity can pass

a atividade elétrica pode passar

from one of these cells to the next cell

de uma destas células para a célula seguinte

to keep track of where it is,

para se recordar de onde está,

so that it can use its own movements

para poder usar os seus movimentos para saber onde está no seu ambiente.

to know where it is in its environment.

Do people have grid cells?

E as pessoas têm células de rede?

Well because all of the grid-like firing patterns

Como todos os padrões de disparos da rede

have the same axes of symmetry,

têm os mesmos eixos de simetria,

the same orientations of grid, shown in orange here,

as mesmas orientações da rede, mostradas aqui a laranja,

it means that the net activity

significa que a atividade da rede de todas as células rede

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

numa zona particular do cérebro,

should change

devia mudar de acordo com o estamos a percorrer

according to whether we're running along these six directions

em cada uma destas seis direções

or running along one of the six directions in between.

ou a percorrer cada uma das seis direções que ficam a meio.

So we can put people in an MRI scanner

Então podemos por pessoas num equipamento de ressonância magnética

and have them do a little video game

like the one I showed you

e pô-los a jogar um pequeno jogo de vídeo

and look for this signal.

como o que vos mostrei

e procurar este sinal.

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

Sim, podem localizá-lo no córtex entorrinal humano,

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

que é a mesma parte do cérebro onde localizamos as células rede nas ratazanas.

So back to Homer.

Agora voltamos a Homer.

He's probably remembering where his car was

Talvez ele se lembre onde estava o carro dele

in terms of the distances and directions

em termos de distâncias e direções

to extended buildings and boundaries

em relação a edifícios e limites

around the location where he parked.

à volta do sítio onde estacionou.

And that would be represented

Isso seria representado pelo disparo de células detetoras de limites.

by the firing of boundary-detecting cells.

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

Ele também se está a lembrar do caminho que fez ao sair do carro,

which would be represented in the firing of grid cells.

que seria representado pelos disparos das células rede.

Now both of these kinds of cells

Agora ambos tipos de células podem fazer disparar as células de localização.

can make the place cells fire.

And he can return to the location where he parked

E ele pode voltar ao sítio onde estacionou

by moving so as to find where it is

movendo-se de forma a encontrar o ponto

that best matches the firing pattern

que melhor se enquadra no padrão de disparos

of the place cells in his brain currently

atual das células de localização do seu cérebro

with the stored pattern where he parked his car.

com o padrão guardado do local onde estacionou o carro.

And that guides him back to that location

Isso guia-o de volta a esse local

irrespective of visual cues

independentemente de pistas visuais

like whether his car's actually there.

como se o carro estivesse mesmo ali.

Maybe it's been towed.

Talvez tenha sido rebocado.

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

Mas ele sabe onde estava, por isso sabe ir buscá-lo.

So beyond spatial memory,

Então, para além da memória espacial,

if we look for this grid-like firing pattern

se procurarmos este padrão de disparos por todo o cérebro,

throughout the whole brain,

we see it in a whole series of locations

vamos vê-lo numa série de locais que estão sempre ativos

which are always active

quando fazemos todo o tipo de tarefas ligadas à memória autobiográfica,

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

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

como recordar a última vez que fomos a um casamento, por exemplo.

So it may be that the neural mechanisms

Então pode significar que os mecanismos neurais

for representing the space around us

para representar o espaço que nos envolve

are also used for generating visual imagery

também são usados para gerar um imaginário visual

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

para que possamos recriar uma cena espacial, pelo menos,

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

dos acontecimentos que nos aconteceram quando os queremos imaginá-los.

So if this was happening,

Se isto acontecesse, as nossas memórias começariam

your memories could start by place cells activating each other

com as células de localização a ativarem-se umas às outras

via these dense interconnections

por intermédio destas densas ligações

and then reactivating boundary cells

e depois reativando as células de limite

to create the spatial structure

para criar a estrutura espacial da cena à volta da vossa perspetiva.

of the scene around your viewpoint.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

As células rede podiam mover essa perspetiva por aquele local.

Another kind of cell, head direction cells,

Outro género de célula, as células de direção.

which I didn't mention yet,

que ainda não referi,

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

disparam como uma bússola de acordo com a direção que tomamos.

They could define the viewing direction

Elas pode definir a direção de visão

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

da qual vão querer gerar uma imagem para o vosso imaginário visual,

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

para que possam imaginar o que aconteceu quando foram ao tal casamento.

So this is just one example

Isto é apenas um exemplo

of a new era really

de uma nova era na neurociência cognitiva

in cognitive neuroscience

where we're beginning to understand

em que começamos a perceber os processos psicológicos

psychological processes

like how you remember or imagine or even think

tais como lembrarmo-nos ou imaginarmos

in terms of the actions

ou mesmo pensarmos em termo das ações

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

dos mil milhões de neurónios individuais que formam os nossos cérebros.

Thank you very much.

Muito obrigado.

(Applause)

(Aplausos)