09:04
TEDSalon London Spring 2011

Neil Burgess: How your brain tells you where you are

脳があなたのいる場所を認知するしくみ:ニール・バージェス

Filmed:

あなたは、自分が駐めた車の場所をどのように記憶しますか?また、自分が正しい方向に進んでいるかどうかが、どうしてわかるのでしょう?神経科学者であるニール・バージェス博士は、自分を取り巻く空間を把握する神経メカニズムと、それがどのように記憶やイマジネーションと結びついているかを研究しています。

- Neuroscientist
At University College in London, Neil Burgess researches how patterns of electrical activity in brain cells guide us through space. Full bio

When we park in a big parking lot,
やたらに広い駐車場で
00:15
how do we remember where we parked our car?
車を停めた場所をどうやって覚えますか?
00:17
Here's the problem facing Homer.
ホーマーさんに考えてもらいましょう
00:19
And we're going to try to understand
そして彼の脳で行われていることを
00:22
what's happening in his brain.
理解してみましょう
00:24
So we'll start with the hippocampus, shown in yellow,
まず 黄色で示した「海馬」
00:26
which is the organ of memory.
ここは記憶を司る器官です
00:28
If you have damage there, like in Alzheimer's,
アルツハイマー病などで傷つくと
00:30
you can't remember things including where you parked your car.
駐車した場所が覚えられなくなります
00:32
It's named after Latin for "seahorse,"
なお 語源は形が似ている
00:34
which it resembles.
「タツノオトシゴ」のラテン名です
00:36
And like the rest of the brain, it's made of neurons.
海馬は神経細胞でできています
00:38
So the human brain
人間の脳には
00:40
has about a hundred billion neurons in it.
千億もの神経細胞があり
00:42
And the neurons communicate with each other
それらの連絡は
00:44
by sending little pulses or spikes of electricity
微弱な電気パルスやスパイク信号を
00:47
via connections to each other.
送り合うことで行われています
00:49
The hippocampus is formed of two sheets of cells,
海馬には二つの細胞層があり
00:51
which are very densely interconnected.
それらは密につながっています
00:54
And scientists have begun to understand
近年 マウスやラットが
00:56
how spatial memory works
飼育ケージでえさを探している間の
00:58
by recording from individual neurons
神経細胞の活動を計測することで
01:00
in rats or mice
「空間の認知」に関する
01:02
while they forage or explore an environment
記憶の仕組みが
01:04
looking for food.
解明されつつあります
01:06
So we're going to imagine we're recording from a single neuron
いま仮に ラットの海馬にある
01:08
in the hippocampus of this rat here.
1個の神経細胞を計測中とします
01:11
And when it fires a little spike of electricity,
細胞が信号を発すると
01:14
there's going to be a red dot and a click.
赤く光ると共にジジジと音がします
01:16
So what we see
ご覧の通り
01:19
is that this neuron knows
この細胞はラットが
01:21
whenever the rat has gone into one particular place in its environment.
特定の場所に行ったときだけ活動します
01:23
And it signals to the rest of the brain
そして脳の他の部分に
01:26
by sending a little electrical spike.
信号を送るのです
01:28
So we could show the firing rate of that neuron
図にすると この細胞がどの位置を
01:31
as a function of the animal's location.
担当しているかがわかります
01:34
And if we record from lots of different neurons,
こうして多くの細胞を計測していくと
01:36
we'll see that different neurons fire
ラットが移動した場所ごとに
01:38
when the animal goes in different parts of its environment,
別々の細胞が働いていることが
01:40
like in this square box shown here.
わかりました
01:42
So together they form a map
こうして神経細胞は地図を作って
01:44
for the rest of the brain,
脳全体に
01:46
telling the brain continually,
「いま自分がどこにいるか」を
01:48
"Where am I now within my environment?"
知らせ続けているのです
01:50
Place cells are also being recorded in humans.
この「場所細胞」は人間にも見つかっています
01:52
So epilepsy patients sometimes need
てんかんの患者が
01:55
the electrical activity in their brain monitoring.
定期的に脳の検査をするとき
01:57
And some of these patients played a video game
小さな街をドライブするゲームを
02:00
where they drive around a small town.
したことがありました
02:02
And place cells in their hippocampi would fire, become active,
街の特定の場所をドライブすると
02:04
start sending electrical impulses
海馬の「場所細胞」が活性化し
02:07
whenever they drove through a particular location in that town.
電気信号を送り始めるのです
02:10
So how does a place cell know
ではどのように場所細胞は
02:13
where the rat or person is within its environment?
環境の中の位置を知るのでしょうか
02:15
Well these two cells here
この2つの細胞は
02:18
show us that the boundaries of the environment
環境における「境界」が
02:20
are particularly important.
重要な事を示しています
02:22
So the one on the top
上の細胞は
02:24
likes to fire sort of midway between the walls
ラットが箱の壁の中央に
02:26
of the box that their rat's in.
いる時に興奮するようです
02:28
And when you expand the box, the firing location expands.
箱が大きくなれば 範囲も広くなります
02:30
The one below likes to fire
下の細胞は南側の壁に近い時に
02:33
whenever there's a wall close by to the south.
興奮するようです
02:35
And if you put another wall inside the box,
ですから箱の中に新しく壁を作ると
02:38
then the cell fires in both place
動物が箱の中を歩きまわったとき
02:40
wherever there's a wall to the south
壁が南側にあるときに限って
02:42
as the animal explores around in its box.
その細胞が興奮するのです
02:44
So this predicts
このことは
02:48
that sensing the distances and directions of boundaries around you --
あなたの周りの建物などの
02:50
extended buildings and so on --
距離や方向を感じ取ることが
02:52
is particularly important for the hippocampus.
海馬にとって非常に重要なことを示します
02:54
And indeed, on the inputs to the hippocampus,
実際に 海馬につながる細胞のなかで
02:57
cells are found which project into the hippocampus,
ラットやマウスが歩きまわる際に
02:59
which do respond exactly
境界や縁への
03:01
to detecting boundaries or edges
距離や方向を感知して
03:03
at particular distances and directions
海馬に
03:06
from the rat or mouse
正確に伝える細胞が
03:08
as it's exploring around.
発見されています
03:10
So the cell on the left, you can see,
左側の細胞は
03:12
it fires whenever the animal gets near
実験動物が東側の境界や壁に
03:14
to a wall or a boundary to the east,
近づいた時に反応します
03:16
whether it's the edge or the wall of a square box
それが四角い箱であっても
03:19
or the circular wall of the circular box
丸い箱の曲がった壁であったとしても
03:22
or even the drop at the edge of a table, which the animals are running around.
テーブルの縁であったとしてもです
03:24
And the cell on the right there
そして右側の細胞は
03:27
fires whenever there's a boundary to the south,
南側の境界があるときに反応します
03:29
whether it's the drop at the edge of the table or a wall
それが壁やテーブルの縁であっても
03:31
or even the gap between two tables that are pulled apart.
離れたテーブルの隙間だったとしてもです
03:33
So that's one way in which we think
これこそが「場所細胞」が
03:36
place cells determine where the animal is as it's exploring around.
自分の位置を知る一つの手段と考えられます
03:38
We can also test where we think objects are,
目的物の場所の予想テストもしました
03:41
like this goal flag, in simple environments --
単純な場所の どこに旗があるか?
03:44
or indeed, where your car would be.
要は駐車場の車の位置みたいなものです
03:47
So we can have people explore an environment
まず 実験する場所を探索してもらい
03:49
and see the location they have to remember.
覚えるべき位置を見てもらいます
03:52
And then, if we put them back in the environment,
少し後に もういちど同じ場所に戻ると
03:55
generally they're quite good at putting a marker down
大体の人は 旗や車がどこにあったか
03:57
where they thought that flag or their car was.
正確に示すことができます
03:59
But on some trials,
では こんどの実験では
04:02
we could change the shape and size of the environment
部屋の形や大きさを
04:04
like we did with the place cell.
最初に見たものと変えてしまいます
04:06
In that case, we can see
この場合でも 私たちは
04:08
how where they think the flag had been changes
環境の形や大きさの変化に応じて
04:10
as a function of how you change the shape and size of the environment.
目的物の位置を予想することができるのです
04:13
And what you see, for example,
いいですか 例えば
04:16
if the flag was where that cross was in a small square environment,
小さな四角形の矢印部分に旗があるとします
04:18
and then if you ask people where it was,
そして 誰かに旗がどこにあるのか尋ねます
04:21
but you've made the environment bigger,
ここで 四角形をもっと大きくすると
04:23
where they think the flag had been
彼らの考える旗の位置が
04:25
stretches out in exactly the same way
場所細胞の活性化領域が拡がるのと
04:27
that the place cell firing stretched out.
同様に拡大するのです
04:29
It's as if you remember where the flag was
つまり どこに旗があるかの記憶は
04:31
by storing the pattern of firing across all of your place cells
場所細胞の活性化パターンの蓄積により
04:33
at that location,
行われているようです
04:36
and then you can get back to that location
だから 少し後にその場所に戻っても
04:38
by moving around
場所細胞が同じように活性化する位置を
04:40
so that you best match the current pattern of firing of your place cells
動きまわって探すことで
04:42
with that stored pattern.
覚えようと思った場所に
04:44
That guides you back to the location that you want to remember.
戻ってくることができるのです
04:46
But we also know where we are through movement.
一方 動くことで位置を知ることもできます
04:49
So if we take some outbound path --
道を間違えたとき
04:52
perhaps we park and we wander off --
駐車して そのへんを歩きまわりますよね?
04:54
we know because our own movements,
私たちは 動き回れば
04:56
which we can integrate over this path
もとに戻るためにどの方向へ向かえば良いか
04:58
roughly what the heading direction is to go back.
ざっくり統合できると知っています
05:00
And place cells also get this kind of path integration input
場所細胞は このような進路統合信号を
05:02
from a kind of cell called a grid cell.
「グリッド(格子)細胞」から得ています
05:06
Now grid cells are found, again,
グリッド細胞とは
05:09
on the inputs to the hippocampus,
海馬につながった細胞で
05:11
and they're a bit like place cells.
場所細胞と似た性質があります
05:13
But now as the rat explores around,
しかし ラットがあちこち動き回っているときの
05:15
each individual cell fires
あるグリッド細胞の働きを調べてみると
05:17
in a whole array of different locations
別々の場所で規則正しく活性化し
05:19
which are laid out across the environment
驚くほど綺麗な三角形の格子を
05:22
in an amazingly regular triangular grid.
作ることがわかります
05:24
And if you record from several grid cells --
いくつかのグリッド細胞を記録してみると
05:29
shown here in different colors --
ここに 異なる色で示していますが
05:32
each one has a grid-like firing pattern across the environment,
それぞれの細胞が持つ
05:34
and each cell's grid-like firing pattern is shifted slightly
格子状の活性化パターンは
05:37
relative to the other cells.
少しずつ ずれていることがわかります
05:40
So the red one fires on this grid
赤の細胞は このような格子で
05:42
and the green one on this one and the blue on on this one.
緑はこう 青はこのように活性化しています。
05:44
So together, it's as if the rat
まとめると ラットは
05:47
can put a virtual grid of firing locations
空間上に 仮想のグリッド(格子)を
05:50
across its environment --
置いているようです
05:52
a bit like the latitude and longitude lines that you'd find on a map,
要は 地図にある経線や緯線のようなものです
05:54
but using triangles.
三角形ですけどね
05:57
And as it moves around,
ラットがあちこち動き回るとき
05:59
the electrical activity can pass
ある細胞からある細胞へと
06:01
from one of these cells to the next cell
活性が受け継がれていくことで
06:03
to keep track of where it is,
現在位置が把握されます
06:05
so that it can use its own movements
だから 自分の動きを利用して
06:07
to know where it is in its environment.
今どこにいるかを知ることができるのです
06:09
Do people have grid cells?
人間もそうなのか?
06:11
Well because all of the grid-like firing patterns
まず 全ての格子状のパターンには
06:13
have the same axes of symmetry,
対称の軸があり
06:15
the same orientations of grid, shown in orange here,
オレンジで示したような方向性があります
06:17
it means that the net activity
つまり 私たちが
06:20
of all of the grid cells in a particular part of the brain
6つの方向のどれかに向かっている場合と
06:22
should change
そうでない場合で
06:25
according to whether we're running along these six directions
脳の特定の場所にあるグリッド細胞の活動は
06:27
or running along one of the six directions in between.
変わるはずです
06:29
So we can put people in an MRI scanner
そこで何人かにMRIスキャナーに入ってもらい
06:32
and have them do a little video game
先ほどお見せしたような
06:34
like the one I showed you
ゲームをやってもらって
06:36
and look for this signal.
この信号を探しました
06:38
And indeed, you do see it in the human entorhinal cortex,
すると 脳の「嗅内皮質」の中に見つかりました
06:40
which is the same part of the brain that you see grid cells in rats.
ラットのグリッド細胞がある部分と 同じ場所です
06:43
So back to Homer.
では再びホーマーさん
06:46
He's probably remembering where his car was
彼は どこに車を停めたかを
06:48
in terms of the distances and directions
まわりの建物や壁からの
06:50
to extended buildings and boundaries
距離や方角という情報から
06:52
around the location where he parked.
覚えているのでしょう
06:54
And that would be represented
それは「境界」を検知する細胞に
06:56
by the firing of boundary-detecting cells.
よって示されます
06:58
He's also remembering the path he took out of the car park,
また 彼は駐車場から出る道を覚えていますが
07:00
which would be represented in the firing of grid cells.
それはグリッド細胞によって示されます
07:03
Now both of these kinds of cells
これらの二つの細胞は
07:06
can make the place cells fire.
場所細胞を活性化させます
07:08
And he can return to the location where he parked
そして彼は戻ってくるときに
07:10
by moving so as to find where it is
場所細胞が記録したパターンに
07:12
that best matches the firing pattern
最も合う場所に移動することで
07:15
of the place cells in his brain currently
車を停めた場所に
07:17
with the stored pattern where he parked his car.
戻ってくることができるのです
07:19
And that guides him back to that location
そしてホーマーさんは
07:22
irrespective of visual cues
車という視覚的刺激の無い場所に
07:24
like whether his car's actually there.
導かれてしまいました
07:26
Maybe it's been towed.
きっと車は 牽引されてしまったのでしょう
07:28
But he knows where it was, so he knows to go and get it.
しかし彼はどこにあったかを覚えていて たどり着けます
07:30
So beyond spatial memory,
さて 空間的な記憶だけでなく
07:33
if we look for this grid-like firing pattern
脳全体にわたって格子状の活性化パターンを
07:35
throughout the whole brain,
探してみると
07:37
we see it in a whole series of locations
たとえば最後に行った結婚式を思い出すような
07:39
which are always active
「自伝的記憶」に関する
07:42
when we do all kinds of autobiographical memory tasks,
作業を行うすべての場所で
07:44
like remembering the last time you went to a wedding, for example.
格子状の活性パターンが見られました
07:46
So it may be that the neural mechanisms
つまり 空間を認知するための仕組みは
07:49
for representing the space around us
視覚的なイメージを
07:51
are also used for generating visual imagery
生み出すためも使われているのかもしれません
07:54
so that we can recreate the spatial scene, at least,
だから私たちは 過去の出来事を思い出すとき
07:58
of the events that have happened to us when we want to imagine them.
その場面を思い浮かべることができるのです
08:01
So if this was happening,
もしこれが本当なら
08:04
your memories could start by place cells activating each other
あなたの記憶は この密な相互作用によって
08:06
via these dense interconnections
場所細胞が互いに活性化させあい
08:09
and then reactivating boundary cells
そして 境界細胞が活性化し
08:11
to create the spatial structure
あなたの視点の周りの空間を構築することで
08:13
of the scene around your viewpoint.
始まっているのかもしれません
08:15
And grid cells could move this viewpoint through that space.
そしてグリッド細胞は 視点を変えてくれます
08:17
Another kind of cell, head direction cells,
まだ言及していない「頭部方向細胞」は
08:19
which I didn't mention yet,
どの方向に顔を向けているかによって
08:21
they fire like a compass according to which way you're facing.
コンパスのように活性化します
08:23
They could define the viewing direction
それらはあなたが創造したい
08:26
from which you want to generate an image for your visual imagery,
視覚的イメージに合わせて視野角を決めます
08:28
so you can imagine what happened when you were at this wedding, for example.
こうして 結婚式場で起きたことを思い出せるのです
08:31
So this is just one example
以上のことは
08:34
of a new era really
脳を構成する
08:36
in cognitive neuroscience
無数の神経細胞の活動から
08:38
where we're beginning to understand
私たちが どのように記憶し 想像し
08:40
psychological processes
考えるかなどを理解する
08:42
like how you remember or imagine or even think
新たな時代の
08:44
in terms of the actions
認知神経科学の
08:47
of the billions of individual neurons that make up our brains.
一例にしか過ぎません
08:49
Thank you very much.
ありがとうございました
08:52
(Applause)
(拍手)
08:54
Translated by yuto ito
Reviewed by Mamoru Ichikawa

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About the Speaker:

Neil Burgess - Neuroscientist
At University College in London, Neil Burgess researches how patterns of electrical activity in brain cells guide us through space.

Why you should listen

Neil Burgessis is deputy director of the Institute of Cognitive Neuroscience at University College London, where he investigates of the role of the hippocampus in spatial navigation and episodic memory. His research is directed at answering questions such as: How are locations represented, stored and used in the brain? What processes and which parts of the brain are involved in remembering the spatial and temporal context of everyday events, and in finding one's way about?

To explore this space, he and his team use a range of methods for gathering data, including pioneering uses of virtual reality, as well as computational modelling and electrophysiological analysis of the function of hippocampal neurons in the rat, functional imaging of human navigation, and neuropsychological experiments on spatial and episodic memory.

A parallel interest: Investigating our human short-term memory for serial order, or how we know our 123s.

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