Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Нил Берджесс: Как мозг сообщает вам, где вы находитесь

Переводчик: Olga Dmitrochenkova Редактор: Aliaksandr Autayeu

When we park in a big parking lot,

Когда вы паркуете машину на просторной стоянке,

how do we remember where we parked our car?

как вы запоминаете её точное местоположение?

Here's the problem facing Homer.

Этой проблемой озадачен и Гомер.

And we're going to try to understand

Мы попытаемся понять,

what's happening in his brain.

что именно происходит у него в голове.

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

Начнём с этой жёлтой извилины морского конька,

which is the organ of memory.

отвечающей за память.

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

Если она повреждена, как при болезни Альцгеймера,

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

вы ничего не помните, включая место парковки машины.

It's named after Latin for "seahorse,"

Название извилины происходит от латинского

which it resembles.

«морской конёк», который она напоминает.

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

Как и весь мозг, она состоит из нейронов.

So the human brain

Человеческий мозг содержит

has about a hundred billion neurons in it.

около 100 миллиардов нейронов.

And the neurons communicate with each other

Нейроны общаются между собой,

by sending little pulses or spikes of electricity

посылая друг другу по связям

via connections to each other.

электрические импульсы.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

Гиппокамп состоит из двух пластов нейронов,

which are very densely interconnected.

тесно связанных между собой.

And scientists have begun to understand

Учёные начали понимать принципы

how spatial memory works

работы пространственной памяти

by recording from individual neurons

при помощи записи отдельных нейронов

in rats or mice

у крыс и мышей,

while they forage or explore an environment

когда те исследуют окрестности

looking for food.

в поисках еды.

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

Посмотрим на запись сигнала одного нейрона

in the hippocampus of this rat here.

гиппокампа вот этой крысы.

And when it fires a little spike of electricity,

Когда он посылает электрический импульс,

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

вы увидите красную точку и услышите щелчок.

So what we see

Мы видим,

is that this neuron knows

что этот нейрон знает

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

о передвижениях крысы в пространстве.

And it signals to the rest of the brain

Он подаёт сигнал мозгу,

by sending a little electrical spike.

посылая электрический импульс.

So we could show the firing rate of that neuron

Мы можем сказать, что КПД этого нейрона

as a function of the animal's location.

зависит от местоположения животного.

And if we record from lots of different neurons,

Если мы проследим за множеством нейронов,

we'll see that different neurons fire

окажется, что разные нейроны реагируют

when the animal goes in different parts of its environment,

при перемещении животного в пространстве,

like in this square box shown here.

как показано вот здесь.

So together they form a map

Вместе нейроны формируют карту

for the rest of the brain,

для всего мозга,

telling the brain continually,

постоянно сообщая ему

"Where am I now within my environment?"

местоположение в данный конкретный момент.

Place cells are also being recorded in humans.

Нейроны места обнаружены и у человека.

So epilepsy patients sometimes need

Поэтому иногда больные эпилепсией нуждаются

the electrical activity in their brain monitoring.

в контроле электрической активности мозга.

And some of these patients played a video game

Некоторые из пациентов играли в видеоигру —

where they drive around a small town.

ездили на машине по небольшому городу.

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

Нейроны места в гиппокампе становились активными,

start sending electrical impulses

посылали электрические импульсы,

whenever they drove through a particular location in that town.

когда пациенты ехали по определённой местности в том городе.

So how does a place cell know

Как нейрон места понимает,

where the rat or person is within its environment?

где именно находится крыса или человек?

Well these two cells here

Эти два нейрона показывают,

show us that the boundaries of the environment

что границы пространства

are particularly important.

очень важны.

So the one on the top

Нейрону сверху нравится

likes to fire sort of midway between the walls

реагировать на полпути от стен коробки,

of the box that their rat's in.

в которой находится крыса.

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

Чем больше коробка, тем шире активное пространство нейрона.

The one below likes to fire

Нейрону снизу нравится реагировать

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

поблизости от стены на юге.

And if you put another wall inside the box,

И если поместить ещё одну стену в коробку,

then the cell fires in both place

нейрон реагирует оба раза

wherever there's a wall to the south

при приближении животного

as the animal explores around in its box.

к стене на юге.

So this predicts

Поэтому можно предположить,

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

что ощущение расстояний и направление границ вокруг,

extended buildings and so on --

в огромных зданиях и т.д.,

is particularly important for the hippocampus.

особенно важно для гиппокампа.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

Нейроны на входе гиппокампа

cells are found which project into the hippocampus,

передают ему информацию,

which do respond exactly

реагируя непосредственно

to detecting boundaries or edges

на выявление границ или углов

at particular distances and directions

в направлении или на местности,

from the rat or mouse

которую исследует

as it's exploring around.

крыса или мышь.

So the cell on the left, you can see,

Вы видите, что нейрон слева реагирует,

it fires whenever the animal gets near

как только животное приближается

to a wall or a boundary to the east,

к стене или границе на востоке,

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

будь это угол или стена квадратной коробки,

or the circular wall of the circular box

округлая стена круглой коробки,

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

или же край стола, по которому бегает животное.

And the cell on the right there

Нейрон же справа реагирует

fires whenever there's a boundary to the south,

на наличие границы на юге,

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

будь это край стола или стена,

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

или же щель между двумя раздвинутыми столами.

So that's one way in which we think

Это один из способов, по которому нейроны места

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

определяют местонахождение животного при его перемещении.

We can also test where we think objects are,

Мы можем также проверить местонахождение объектов,

like this goal flag, in simple environments --

как вот этого флажка в обычных условиях,

or indeed, where your car would be.

или вашей машины.

So we can have people explore an environment

Мы попросим людей изучить обстановку

and see the location they have to remember.

и посмотрим, какой участок они запоминают.

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

Затем мы снова поместим их в эту обстановку.

generally they're quite good at putting a marker down

Обычно люди справляются с задачей и помнят,

where they thought that flag or their car was.

где именно находился флажок или машина.

But on some trials,

В некоторых экспериментах

we could change the shape and size of the environment

мы изменяем форму и размер окружения,

like we did with the place cell.

как в эксперименте с нейронами места.

In that case, we can see

Здесь мы наблюдаем следующее:

how where they think the flag had been changes

идеи о местонахождении флажка изменяются в зависимостиот того,

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

как мы изменяем форму и размер окружающей среды.

And what you see, for example,

Например, если флажок находился на месте

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

красного крестика в небольшом квадратном пространстве,

and then if you ask people where it was,

и если вы спросите людей о его местонахождении,

but you've made the environment bigger,

увеличив при этом пространство,

where they think the flag had been

их представление о местоположении флажка

stretches out in exactly the same way

расширяется точно так же, как расширяется

that the place cell firing stretched out.

зона активности нейронов места.

It's as if you remember where the flag was

Как будто вы запоминаете местонахождение флажка

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

по карте, созданной нейронами места

at that location,

для этого участка пространства.

and then you can get back to that location

Затем вы сможете вернуться к этому участку,

by moving around

перемещаясь по местности и пытаясь

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

соотнести текущую создаваемую нейронами места карту

with that stored pattern.

с той, которая сохранена в памяти.

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

Это возвращает вас на место, которое вы запоминаете.

But we also know where we are through movement.

Не теряемся мы и во время движения.

So if we take some outbound path --

Если мы отдалимся от начальной точки —

perhaps we park and we wander off --

паркуем машину и прогуливаемся по местности —

we know because our own movements,

объединив наши передвижения

which we can integrate over this path

в один путь, мы приблизительно знаем,

roughly what the heading direction is to go back.

как вернуться назад.

And place cells also get this kind of path integration input

Нейроны места получают эту обобщённую информацию

from a kind of cell called a grid cell.

от так называемых grid-нейронов.

Now grid cells are found, again,

Grid-нейроны находятся

on the inputs to the hippocampus,

на входе гиппокампа

and they're a bit like place cells.

и напоминают нейроны места.

But now as the rat explores around,

Когда крыса исследует местность,

each individual cell fires

каждая клетка реагирует

in a whole array of different locations

во множестве различных точек,

which are laid out across the environment

которые создают на местности

in an amazingly regular triangular grid.

удивительно правильную треугольную решётку.

And if you record from several grid cells --

И если мы изучим несколько grid-нейронов,

shown here in different colors --

показанных здесь разным цветом,

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

активность каждого из них напоминает решётку,

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

и эта решётка немного сдвинута

relative to the other cells.

по отношению к другим клеткам.

So the red one fires on this grid

Красная клетка реагирует по этой решётке,

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

зелёная вот по этой, и синяя вот по этой.

So together, it's as if the rat

Все вместе они создают для крысы

can put a virtual grid of firing locations

виртуальную решётку активных участковпространства.

across its environment --

Она напоминает

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

линии широты и долготы на карте,

but using triangles.

только сделанные при помощи треугольников.

And as it moves around,

Крыса продолжает передвигаться,

the electrical activity can pass

и электрическая активность переходит

from one of these cells to the next cell

от одной клетки к другой,

to keep track of where it is,

чтобы крыса знала, где она находится.

so that it can use its own movements

Она использует собственные передвижения

to know where it is in its environment.

для определения своего местоположения.

Do people have grid cells?

Есть ли grid-нейроны у людей?

Well because all of the grid-like firing patterns

Поскольку все решётки активности клеток

have the same axes of symmetry,

имеют одинаковые оси симметрии,

the same orientations of grid, shown in orange here,

одинаковую ориентацию, как показано здесь оранжевым,

it means that the net activity

решётчатая активность всех grid-нейронов

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

в определённой части мозга

should change

должна изменяться согласно

according to whether we're running along these six directions

нашему передвижению в этих шести направлениях,

or running along one of the six directions in between.

или в одном из промежуточных направлений.

So we can put people in an MRI scanner

Мы можем поместить человека в МРТ аппарат

and have them do a little video game

и попросить его поиграть в видеоигру —

like the one I showed you

например ту, что мы уже видели —

and look for this signal.

и попытаться отыскать сигнал.

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

Оказывается, мы наблюдаем его в энторинальной зоне коры головного мозга.

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

У крыс в этом месте мозга находятся grid-нейроны.

So back to Homer.

Вернёмся к Гомеру.

He's probably remembering where his car was

Скорей всего, он помнит, где его машина,

in terms of the distances and directions

учитывая направление и расстояние

to extended buildings and boundaries

от границ парковки

around the location where he parked.

и зданий вокруг неё.

And that would be represented

Это возможно благодаря

by the firing of boundary-detecting cells.

активности нейронов определения границ.

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

Он также помнит путь, по которому вышел из парковки,

which would be represented in the firing of grid cells.

что возможно благодаря активности grid-клеток.

Now both of these kinds of cells

Эти два вида нейронов

can make the place cells fire.

активизируют нейроны места.

And he can return to the location where he parked

Он может вернуться к месту парковки машины,

by moving so as to find where it is

передвигаясь вокруг и сопоставляя

that best matches the firing pattern

текущую карту местности,

of the place cells in his brain currently

создаваемую в этот момент мозгом,

with the stored pattern where he parked his car.

с той, которая уже имеется в памяти.

And that guides him back to that location

Это и подводит его к нужному месту,

irrespective of visual cues

независимо от зрительных подсказок или того факта,

like whether his car's actually there.

что его машина находится именно там.

Maybe it's been towed.

Возможно, её отбуксировали.

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

Но он помнит, где она была, и знает, как туда вернуться.

So beyond spatial memory,

Кроме пространственной памяти,

if we look for this grid-like firing pattern

мы встречаем решётчатую активность

throughout the whole brain,

по всему головному мозгу.

we see it in a whole series of locations

Она отмечается на множестве

which are always active

постоянно активных участков,

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

отвечающих за выполнение автобиографических задач,

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

например, припоминание последней свадьбы, на которой вы были.

So it may be that the neural mechanisms

Возможно, нейронные механизмы

for representing the space around us

представления пространства вокруг нас

are also used for generating visual imagery

используются также для создания зрительных образов,

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

и мы можем воссоздать как минимум пространственные сцены

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

произошедших с нами событий, когда мы этого хотим.

So if this was happening,

В этом процессе ваша память

your memories could start by place cells activating each other

начинается с активации нейронов места между собой

via these dense interconnections

по множественным связям.

and then reactivating boundary cells

Затем активируются нейроны границ,

to create the spatial structure

создавая пространственную схему того,

of the scene around your viewpoint.

что находится в вашем поле зрения.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

Grid-нейроны могут перемещать поле зрения в пространстве.

Another kind of cell, head direction cells,

Ещё один вид нейронов — нейроны ориентации.

which I didn't mention yet,

О них я ещё не говорил.

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

Они активизируются, как компас, в зависимости от вашего направления.

They could define the viewing direction

Они могут определить направление обзора,

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

в котором вы хотите создать зрительный образ.

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

Так вы представляете, например, что произошло на свадьбе.

So this is just one example

Это лишь один пример

of a new era really

новой эры

in cognitive neuroscience

в когнитивной нейробиологии.

where we're beginning to understand

Мы начинаем понимать

psychological processes

такие психологические процессы,

like how you remember or imagine or even think

как запоминание, воображение или мышление.

in terms of the actions

Они зависят от активности

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

несчётного числа нейронов, составляющих человеческий мозг.

Thank you very much.

Большое спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)