Neil Burgess: How your brain tells you where you are

Перекладач: Olga Galkina Утверджено: Khrystyna Romashko

When we park in a big parking lot,

Коли ми лишаємо автомобіль на великому паркувальному майданчику,

how do we remember where we parked our car?

як ми запам’ятовуємо, де саме його полишили?

Here's the problem facing Homer.

З подібною проблемою стикається Гомер.

And we're going to try to understand

І зараз ми спробуємо зрозуміти,

what's happening in his brain.

що відбувається в його мозку.

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

Почнемо з гіпокампу, органу пам’яті.

which is the organ of memory.

Його позначено жовтим.

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

Якщо гіпокамп пошкоджений, як при хворобі Альцгеймера,

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

людина не зможе запам’ятати речей, як от: де вона припаркувалася.

It's named after Latin for "seahorse,"

Ця ділянка мозку названа латинським відповідником слова «морський коник»,

which it resembles.

якого вона, власне, нагадує.

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

І подібно до інших частин мозку, вона складається з нейронів.

So the human brain

В цьому відділі людського мозку

has about a hundred billion neurons in it.

містяться сотні мільярдів нейронів.

And the neurons communicate with each other

Нейрони сполучаються,

by sending little pulses or spikes of electricity

посилаючи один одному слабкі імпульси або викиди струму

via connections to each other.

по нервових волокнах.

The hippocampus is formed of two sheets of cells,

Гіпокамп утворений двома шарами клітин,

which are very densely interconnected.

щільно пов’язаних одна з одною.

And scientists have begun to understand

Вчені потроху починають розуміти,

how spatial memory works

як працює просторова пам'ять,

by recording from individual neurons

спостерігаючи та фіксуючи роботу окремих нейронів мозку

in rats or mice

щурів або мишей,

while they forage or explore an environment

поки ті досліджують територію

looking for food.

в пошуках їжі.

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

Тепер давайте уявимо, що ми фіксуємо активність окремого нейрону

in the hippocampus of this rat here.

в гіпокампі цього щура прямо тут.

And when it fires a little spike of electricity,

І коли виникає електрична активність,

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

запалюється червона лампочка і чується клацання.

So what we see

Що ж ми бачимо?

is that this neuron knows

Виходить, цей нейрон знає,

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

коли щур направився в певне місце в цьому середовищі.

And it signals to the rest of the brain

І цей нейрон сигналізує іншим ділянкам мозку,

by sending a little electrical spike.

посилаючи слабкий електричний імпульс.

So we could show the firing rate of that neuron

Ми можемо зобразити рівень електричної активності нейрона,

as a function of the animal's location.

як функцію визначення місцезнаходження тварини.

And if we record from lots of different neurons,

Якщо ж ми прослідкуємо за багатьма різними нейронами,

we'll see that different neurons fire

то побачимо, що в цих нейронах виникає електрична активність,

when the animal goes in different parts of its environment,

коли тварина рухається по різних частинах середовища,

like in this square box shown here.

як відбувається тут, в цій квадратній коробці.

So together they form a map

Тож разом нейрони формують мапу

for the rest of the brain,

для інших частин мозку,

telling the brain continually,

постійно сповіщаючи мозок,-

"Where am I now within my environment?"

«В якій частині свого середовища я знаходжусь».

Place cells are also being recorded in humans.

Нейрони місця у людей також були досліджені.

So epilepsy patients sometimes need

Пацієнтам, хворим на епілепсію, не вистачає

the electrical activity in their brain monitoring.

електричної активності мозку, як виявилось в ході спостережень.

And some of these patients played a video game

Дехто з них грали у відео гру,

where they drive around a small town.

де вони їздили на автомобілі по невеликому містечку.

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

Нейрони місця в їхніх гіпокампах постійно активізувались

start sending electrical impulses

та посилали електричні імпульси

whenever they drove through a particular location in that town.

щоразу, як вони проїжджали повз певне місце в тому містечку.

So how does a place cell know

Тож як нейрон місця визначає,

where the rat or person is within its environment?

де саме знаходиться щур або людина в межах певного середовища?

Well these two cells here

Ці дві клітини

show us that the boundaries of the environment

показують, що межі середовища

are particularly important.

надзвичайно важливі.

So the one on the top

Ця клітина, зверху,

likes to fire sort of midway between the walls

активізується десь посередині, між стінками коробки,

of the box that their rat's in.

в якій знаходиться щур – власник клітини.

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

І, якщо ви збільшуєте межі коробки, то й площа реагування клітини розширюється.

The one below likes to fire

Оця знизу активізується,

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

як тільки поблизу, з південної сторони, є стінка.

And if you put another wall inside the box,

Якщо поставити ще одну стінку в коробку,

then the cell fires in both place

клітина подаватиме імпульси кожного разу,

wherever there's a wall to the south

як тварина рухатиметься по коробці

as the animal explores around in its box.

і наближатиметься до будь-якої південної стінки.

So this predicts

Отже це доводить,

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

що відчувати відстань та напрямок кордонів навкруги

extended buildings and so on --

(наприклад, довгі будівлі тощо) -

is particularly important for the hippocampus.

надзвичайно важливо для гіпокампу.

And indeed, on the inputs to the hippocampus,

На вході в гіпокамп

cells are found which project into the hippocampus,

знайдено клітини, які проектуються в гіпокамп,

which do respond exactly

котрий справді реагує

to detecting boundaries or edges

саме на визначення кордонів чи меж

at particular distances and directions

на певній відстані та в певних напрямках

from the rat or mouse

від миші чи щура,

as it's exploring around.

коли вони вивчають територію навколо.

So the cell on the left, you can see,

Клітина зліва, як ви можете бачити,

it fires whenever the animal gets near

реагує, як тільки тварина наближується

to a wall or a boundary to the east,

до стіни чи східної межі –

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

чи то край або стіна квадратної коробки,

or the circular wall of the circular box

чи то округла стіна круглої коробки,

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

чи, навіть, край столу, де бігає тварина.

And the cell on the right there

А клітина справа

fires whenever there's a boundary to the south,

реагує, як тільки з’являється межа з південної сторони –

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

чи то край столу, чи стіна,

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

або, навіть проміжок між двох столів, поставлених окремо.

So that's one way in which we think

Ми гадаємо, що це один зі способів,

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

як клітини місця визначають, де саме знаходиться тварина, поки вона рухається в середовищі.

We can also test where we think objects are,

Крім того, ми можемо перевірити свої здогадки про місцезнаходження предметів

like this goal flag, in simple environments --

в простих середовищах, як, наприклад, місцезнаходження прапорця,

or indeed, where your car would be.

або вашого автомобіля.

So we can have people explore an environment

Ми можемо вмовити людей дослідити якусь територію

and see the location they have to remember.

та подивитись на місце, яке потрібно запам’ятати.

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

Потім, якщо повернути їх назад у середовище,

generally they're quite good at putting a marker down

вони достатньо правильно ставлять позначку,

where they thought that flag or their car was.

де, на їхню думку, знаходиться прапорець або автомобіль.

But on some trials,

Під час деяких тестувань

we could change the shape and size of the environment

ми могли змінити розмір або форму середовища,

like we did with the place cell.

як це було з нейронами місця.

In that case, we can see

В такому випадку можна побачити,

how where they think the flag had been changes

як вони змінювали положення прапорця,

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

в залежності від зміни форми та розміру середовища.

And what you see, for example,

І що ж ви бачите?

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

Наприклад, прапорець знаходився там, де хрестик, в маленькому квадратному середовищі.

and then if you ask people where it was,

І якщо запитати людей, де прапорець,

but you've made the environment bigger,

попередньо збільшивши розмір середовища,

where they think the flag had been

то передбачуване місцезнаходження прапора

stretches out in exactly the same way

розширюється прямо пропорційно тому,

that the place cell firing stretched out.

як розширюється площа реагування нейрону місця.

It's as if you remember where the flag was

Це ніби ви запам’ятали, де прапорець,

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

зберігаючи модель реакції по всіх ваших нейронах місця

at that location,

саме в тому місцезнаходженні,

and then you can get back to that location

і потім повернулись до того місця,

by moving around

пересуваючись так,

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

щоб діюча модель реакції ваших нейронів місця

with that stored pattern.

якнайкраще збігалась зі збереженою.

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

Це веде вас назад до місця, яке ви хочете запам’ятати.

But we also know where we are through movement.

Проте ми знаємо, де ми, завдяки руху.

So if we take some outbound path --

Якщо рухатись шляхом зовні,

perhaps we park and we wander off --

наприклад, лишити автомобіль і прогулятись,

we know because our own movements,

ми чітко знатимемо по наших власних рухах,

which we can integrate over this path

інтегруваних на цей шлях,

roughly what the heading direction is to go back.

якою дорогою повернутись назад.

And place cells also get this kind of path integration input

Нейрони місця також отримують інформацію про такого роду інтегрування за траєкторією

from a kind of cell called a grid cell.

від клітин, які називають нейронами решітки.

Now grid cells are found, again,

Нейрони решітки знаходяться також

on the inputs to the hippocampus,

на вході у гіпокамп,

and they're a bit like place cells.

і вони трохи схожі на нейрони місця.

But now as the rat explores around,

Коли щур рухається в середовищі,

each individual cell fires

кожна окрема клітина реагує

in a whole array of different locations

в усій сукупності різних місцезнаходжень,

which are laid out across the environment

розкиданих по всьому середовищу,

in an amazingly regular triangular grid.

що утворюють координатну сітку правильної трикутної форми.

And if you record from several grid cells --

Якщо зафіксувати реакцію декількох координатних нейронів

shown here in different colors --

(вони позначені тут різними кольорами),

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

то кожен має сіткоподібну модель реакції по всьому середовищу.

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

Сіткоподібна модель реакції кожного нейрона трохи змінюється

relative to the other cells.

залежно від інших нейронів.

So the red one fires on this grid

Тож червоний реагує в цій координатній сітці,

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

зелений – в цій, а синій – в цій.

So together, it's as if the rat

Все разом схоже на те,

can put a virtual grid of firing locations

ніби щур наклав віртуальну координатну сітку місць реагування

across its environment --

на все середовище.

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

Це трохи нагадує лінії довготи та широти на мапах,

but using triangles.

але в нашому випадку використано трикутники.

And as it moves around,

І коли тварина пересувається,

the electrical activity can pass

електрична активність передається

from one of these cells to the next cell

від одного нейрона іншому,

to keep track of where it is,

зберігаючи шлях пересування,

so that it can use its own movements

щоб тварина могла використати власні рухи

to know where it is in its environment.

для визначення свого місцеположення в середовищі.

Do people have grid cells?

Чи є в людей координатні нейрони?

Well because all of the grid-like firing patterns

Через те, що всі сіткоподібні моделі реакції

have the same axes of symmetry,

мають однакові осі симетрії,

the same orientations of grid, shown in orange here,

однакові орієнтири сітки, позначені тут помаранчевим кольором.

it means that the net activity

Це значить, що чиста активність

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

всіх координатних нейронів в певних ділянках мозку

should change

має змінюватись

according to whether we're running along these six directions

в залежності від того, чи ми проходимо всі ці шість напрямків,

or running along one of the six directions in between.

чи один з поміж шести напрямків.

So we can put people in an MRI scanner

Можна помістити людину в МРТ сканер,

and have them do a little video game

дати погратись в коротку відео гру,

like the one I showed you

схожу на ту, що я вам показував,

and look for this signal.

і чекати цього сигналу.

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

Ви й справді бачите це в енторіальній корі головного мозку людини,

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

яка є такою самою частиною мозку, як нейрони місця у щурів.

So back to Homer.

Повернемось до Гомера.

He's probably remembering where his car was

Він, напевне, пам’ятає, де його автомобіль,

in terms of the distances and directions

крізь призму відстаней та напрямів,

to extended buildings and boundaries

довгих будівель та кордонів,

around the location where he parked.

в місці, де він припаркувався.

And that would be represented

Це проявляється

by the firing of boundary-detecting cells.

через реакцію клітин, які виявляють кордон.

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

Він також пам’ятає шлях, яким ішов з парковки,

which would be represented in the firing of grid cells.

що проявляється через реакцію нейронів решітки.

Now both of these kinds of cells

Обидва типи нейронів

can make the place cells fire.

можуть змусити нейрони місця реагувати.

And he can return to the location where he parked

Він може повернутись до місця, де припаркувався,

by moving so as to find where it is

рухаючись так, аби знайти це місце,

that best matches the firing pattern

що, на даний момент, найточніше підпадає під модель реакції

of the place cells in his brain currently

нейронів місця в його мозку,

with the stored pattern where he parked his car.

зі збереженою моделлю, де він припаркувався.

And that guides him back to that location

Це веде його назад до того місця,

irrespective of visual cues

незалежно від візуальних підказок,

like whether his car's actually there.

як, наприклад, чи справді його автомобіль там.

Maybe it's been towed.

Можливо, його автомобіль відбуксували.

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

Але він знає, де він був, тож знає, як туди дійти.

So beyond spatial memory,

Поза межами просторової пам’яті,

if we look for this grid-like firing pattern

якщо ми шукаємо цю сіткоподібну модель реакції

throughout the whole brain,

по всьому мозку,

we see it in a whole series of locations

ми бачимо її в різних місцях.

which are always active

Вона завжди активна,

when we do all kinds of autobiographical memory tasks,

коли ми виконуємо всі види завдань для автобіографічної пам’яті,

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

наприклад: згадуємо,як останнього разу ходили на весілля.

So it may be that the neural mechanisms

Тож може бути, що нейтральні механізми

for representing the space around us

для відображення простору навкруги нас

are also used for generating visual imagery

також використовуються для генерації зорового зразку.

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

Таким чином, ми можемо створювати щонайменше просторову сцену

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

подій, які відбулися з нами, коли ми хочемо їх уявити.

So if this was happening,

Якщо це відбувалось,

your memories could start by place cells activating each other

Ваші спогади почнуться з того, що нейрони місця активуватимуть один одного

via these dense interconnections

через ці щільні поєднання

and then reactivating boundary cells

і реактивуватимуть нейрони кордонів,

to create the spatial structure

щоб створити просторову структуру

of the scene around your viewpoint.

сцени навколо вашої точки спостереження.

And grid cells could move this viewpoint through that space.

Нейрони решітки можуть рухати цю точку спостереження в тому просторі.

Another kind of cell, head direction cells,

Інший тип нейронів, нейрони напрямку голови,

which I didn't mention yet,

які я ще не згадував,

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

реагують, як компас, залежно від напряму, який ви обираєте.

They could define the viewing direction

Вони можуть визначити напрямок спостереження,

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

з якого ви хочете створити образ для вашого зорового зразку.

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

Тож ви можете уявити, що відбувалось, коли ви були на тому весіллі, наприклад.

So this is just one example

Це лише один приклад

of a new era really

дійсно нової ери

in cognitive neuroscience

когнітивної нейробіології,

where we're beginning to understand

де ми лише починаємо розуміти

psychological processes

психологічні процеси,

like how you remember or imagine or even think

подібні тому, як запам’ятовування, уяви чи навіть мислення

in terms of the actions

крізь призму дій

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

мільярдів окремих нейронів, з яких складається наш мозок.

Thank you very much.

Дякую.

(Applause)

(Оплески)