TEDSalon London Spring 2011
Neil Burgess: How your brain tells you where you are
Нийл Бърджес: Как мозъкът ви разбира къде се намирате
Filmed:
Readability: 4.2
1,458,267 views
Как запомняте къде сте паркирали колата си? Как разбирате дали се движите в правилната посока? Изследователят в областта на невронауката Нийл Бърджес изучава невронните механизми, които картографират пространството около нас, и връзката им с паметта и въображението.
Neil Burgess - Neuroscientist
At University College in London, Neil Burgess researches how patterns of electrical activity in brain cells guide us through space. Full bio
At University College in London, Neil Burgess researches how patterns of electrical activity in brain cells guide us through space. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
00:15
When we park in a big parking lot,
0
0
2000
Как запомняме къде сме паркирали колата си,
00:17
how do we remember where we parked our car?
1
2000
2000
когато паркираме на голям паркинг?
00:19
Here's the problem facing Homer.
2
4000
3000
Този проблем стои пред Хоумър.
00:22
And we're going to try to understand
3
7000
2000
А ние ще се опитаме да разберем
00:24
what's happening in his brain.
4
9000
2000
какво се случва в мозъка му.
00:26
So we'll start with the hippocampus, shown in yellow,
5
11000
2000
Ще тръгнем от хипокампуса, показан в жълто,
00:28
which is the organ of memory.
6
13000
2000
който е органът на паметта.
00:30
If you have damage there, like in Alzheimer's,
7
15000
2000
Ако е увреден, както при болестта на Алцхаймер,
00:32
you can't remember things including where you parked your car.
8
17000
2000
не можете да запомняте неща, включително къде сте паркирали колата си.
00:34
It's named after Latin for "seahorse,"
9
19000
2000
Името му идва от латинската дума
00:36
which it resembles.
10
21000
2000
за "морско конче", на което той прилича.
00:38
And like the rest of the brain, it's made of neurons.
11
23000
2000
Както и останалата част от мозъка, той се състои от неврони.
00:40
So the human brain
12
25000
2000
Човешкият мозък
00:42
has about a hundred billion neurons in it.
13
27000
2000
е изграден от около сто милиарда неврона.
00:44
And the neurons communicate with each other
14
29000
3000
А те комуникират един с друг,
00:47
by sending little pulses or spikes of electricity
15
32000
2000
като изпращат слаби импулси или
00:49
via connections to each other.
16
34000
2000
вълни електричество чрез връзки помежду си.
00:51
The hippocampus is formed of two sheets of cells,
17
36000
3000
Хипокампусът е изграден от два слоя клетки,
00:54
which are very densely interconnected.
18
39000
2000
между които има множество връзки.
00:56
And scientists have begun to understand
19
41000
2000
Учените са започнали да разбират
00:58
how spatial memory works
20
43000
2000
как работи пространствената памет,
01:00
by recording from individual neurons
21
45000
2000
като са записали активността на отделни неврони
01:02
in rats or mice
22
47000
2000
при плъхове или мишки,
01:04
while they forage or explore an environment
23
49000
2000
докато те претърсват или изучават
01:06
looking for food.
24
51000
2000
дадена среда, търсейки храна.
01:08
So we're going to imagine we're recording from a single neuron
25
53000
3000
Нека си представим, че записваме активността
01:11
in the hippocampus of this rat here.
26
56000
3000
на един единствен неврон в хипокампуса на този плъх тук.
01:14
And when it fires a little spike of electricity,
27
59000
2000
Когато той изпрати импулс електричество,
01:16
there's going to be a red dot and a click.
28
61000
3000
ще се появи червена точка и щракване.
01:19
So what we see
29
64000
2000
Виждаме,
01:21
is that this neuron knows
30
66000
2000
че този неврон реагира всеки път,
01:23
whenever the rat has gone into one particular place in its environment.
31
68000
3000
когато плъхът отиде на определено място в заобикалящата го среда.
01:26
And it signals to the rest of the brain
32
71000
2000
И сигнализира за това на останалата част от мозъка,
01:28
by sending a little electrical spike.
33
73000
3000
като изпраща малки импулси електричество.
01:31
So we could show the firing rate of that neuron
34
76000
3000
Следователно можем да изразим честотата на активиране на този неврон
01:34
as a function of the animal's location.
35
79000
2000
като функция от местоположението на животното.
01:36
And if we record from lots of different neurons,
36
81000
2000
А ако запишем активността на множество отделни неврони,
01:38
we'll see that different neurons fire
37
83000
2000
ще видим, че всеки от тях изпраща импулси,
01:40
when the animal goes in different parts of its environment,
38
85000
2000
когато животното се намира на определено място в средата си,
01:42
like in this square box shown here.
39
87000
2000
както личи от тези квадрати.
01:44
So together they form a map
40
89000
2000
Така заедно те създават карта
01:46
for the rest of the brain,
41
91000
2000
за останалата част от мозъка,
01:48
telling the brain continually,
42
93000
2000
която постоянно му казва:
01:50
"Where am I now within my environment?"
43
95000
2000
"Къде се намирам в момента спрямо заобикалящата ме среда?"
01:52
Place cells are also being recorded in humans.
44
97000
3000
Клетки за местоположение са открити и при хората.
01:55
So epilepsy patients sometimes need
45
100000
2000
Понякога болните от епилепсия се нуждаят
01:57
the electrical activity in their brain monitoring.
46
102000
3000
от наблюдение на електрическата активност на мозъка им.
02:00
And some of these patients played a video game
47
105000
2000
Някои от тези пациенти играли видео игра,
02:02
where they drive around a small town.
48
107000
2000
при която шофират из малко градче.
02:04
And place cells in their hippocampi would fire, become active,
49
109000
3000
Клетките за местонахождение в хипокампуса им се активирали,
02:07
start sending electrical impulses
50
112000
3000
започвали да изпращат електрически импулси,
02:10
whenever they drove through a particular location in that town.
51
115000
3000
всеки път, когато те минавали през определено място в този град.
02:13
So how does a place cell know
52
118000
2000
Но как клетката за местоположение разбира
02:15
where the rat or person is within its environment?
53
120000
3000
къде в средата си се намира плъхът или човекът?
02:18
Well these two cells here
54
123000
2000
Ами, ето тези две клетки
02:20
show us that the boundaries of the environment
55
125000
2000
ни показват, че границите на средата
02:22
are particularly important.
56
127000
2000
са от особено значение.
02:24
So the one on the top
57
129000
2000
Горната обича да изпраща импулси
02:26
likes to fire sort of midway between the walls
58
131000
2000
някъде по средата между стените на кутията,
02:28
of the box that their rat's in.
59
133000
2000
в която се намира плъхът.
02:30
And when you expand the box, the firing location expands.
60
135000
3000
А разширим ли кутията, районът на активиране на клетката също се увеличава.
02:33
The one below likes to fire
61
138000
2000
Тази отдолу изпраща импулси всеки път,
02:35
whenever there's a wall close by to the south.
62
140000
3000
когато има стена наблизо от юг.
02:38
And if you put another wall inside the box,
63
143000
2000
И ако поставите друга преграда в кутията,
02:40
then the cell fires in both place
64
145000
2000
тогава клетката се активира и на двете места --
02:42
wherever there's a wall to the south
65
147000
2000
винаги когато, обикаляйки из кутията,
02:44
as the animal explores around in its box.
66
149000
3000
животното среща преграда от юг.
02:48
So this predicts
67
153000
2000
От това можем да предположим, че усещането
02:50
that sensing the distances and directions of boundaries around you --
68
155000
2000
за разстоянията и посоките до преградите около нас --
02:52
extended buildings and so on --
69
157000
2000
редици сгради и прочие --
02:54
is particularly important for the hippocampus.
70
159000
3000
е от особено значение за хипокампуса.
02:57
And indeed, on the inputs to the hippocampus,
71
162000
2000
И наистина, при изследване на входящата информация към хипокампуса
02:59
cells are found which project into the hippocampus,
72
164000
2000
са открити клетки, които комуникират с него,
03:01
which do respond exactly
73
166000
2000
и реагират именно при регистрирането
03:03
to detecting boundaries or edges
74
168000
3000
на преграда или граница
03:06
at particular distances and directions
75
171000
2000
на определено разстояние и посока
03:08
from the rat or mouse
76
173000
2000
от плъха или мишката,
03:10
as it's exploring around.
77
175000
2000
докато те изучават средата си.
03:12
So the cell on the left, you can see,
78
177000
2000
Както виждате, клетката вляво
03:14
it fires whenever the animal gets near
79
179000
2000
изпраща импулс винаги, когато животното доближи
03:16
to a wall or a boundary to the east,
80
181000
3000
стена или преграда от изток,
03:19
whether it's the edge or the wall of a square box
81
184000
3000
независимо дали това е ръбът или стената на квадратна кутия
03:22
or the circular wall of the circular box
82
187000
2000
или облата стена на обла кутия,
03:24
or even the drop at the edge of a table, which the animals are running around.
83
189000
3000
или дори ръбът на края на маса, по която животните тичат.
03:27
And the cell on the right there
84
192000
2000
А клетката вдясно ей там
03:29
fires whenever there's a boundary to the south,
85
194000
2000
реагира всеки път, когато срещне препятствие от юг,
03:31
whether it's the drop at the edge of the table or a wall
86
196000
2000
независимо дали това е ръбът на масата или стена,
03:33
or even the gap between two tables that are pulled apart.
87
198000
3000
или дори празното пространство между две маси.
03:36
So that's one way in which we think
88
201000
2000
Това е един от начините, по които смятаме,
03:38
place cells determine where the animal is as it's exploring around.
89
203000
3000
че клетките за местоположение определят къде се намира животното.
03:41
We can also test where we think objects are,
90
206000
3000
Можем да тестваме и къде смятаме, че се намира даден обект,
03:44
like this goal flag, in simple environments --
91
209000
3000
като това флагче например, в не сложни среди --
03:47
or indeed, where your car would be.
92
212000
2000
или направо -- къде би могла да е колата ви.
03:49
So we can have people explore an environment
93
214000
3000
Така можем да накараме някого да разучи дадена среда
03:52
and see the location they have to remember.
94
217000
3000
и да запомни определено място.
03:55
And then, if we put them back in the environment,
95
220000
2000
Ако след това го върнем в тази среда,
03:57
generally they're quite good at putting a marker down
96
222000
2000
обикновено той сравнително лесно може да отбележи
03:59
where they thought that flag or their car was.
97
224000
3000
къде смята, че е било флагчето или колата.
04:02
But on some trials,
98
227000
2000
Но при някои опити
04:04
we could change the shape and size of the environment
99
229000
2000
можем да променим формата или размерите на средата,
04:06
like we did with the place cell.
100
231000
2000
както направихме при клетките за местоположение.
04:08
In that case, we can see
101
233000
2000
Тогава виждаме как представата им
04:10
how where they think the flag had been changes
102
235000
3000
за това къде е било флагчето се променя
04:13
as a function of how you change the shape and size of the environment.
103
238000
3000
спрямо изменението на формата и размерите на средата.
04:16
And what you see, for example,
104
241000
2000
Например, ако флагчето е било
04:18
if the flag was where that cross was in a small square environment,
105
243000
3000
на мястото на този хикс в малка квадратна среда
04:21
and then if you ask people where it was,
106
246000
2000
и след това попитате хората къде е било,
04:23
but you've made the environment bigger,
107
248000
2000
след като обаче сте разширили средата,
04:25
where they think the flag had been
108
250000
2000
предполагаемото му според тях място
04:27
stretches out in exactly the same way
109
252000
2000
се разширява точно по същия начин,
04:29
that the place cell firing stretched out.
110
254000
2000
по който се разшири и активирането на клетките за местоположение.
04:31
It's as if you remember where the flag was
111
256000
2000
Сякаш помним къде е било флагчето като запаметяваме
04:33
by storing the pattern of firing across all of your place cells
112
258000
3000
модела на активиране на всички клетки за местоположение
04:36
at that location,
113
261000
2000
на това определено място
04:38
and then you can get back to that location
114
263000
2000
и след това се връщаме на него,
04:40
by moving around
115
265000
2000
движейки се, така че
04:42
so that you best match the current pattern of firing of your place cells
116
267000
2000
настоящият модел на активиране да пасне
04:44
with that stored pattern.
117
269000
2000
по възможно най-добър начин със запаметения модел.
04:46
That guides you back to the location that you want to remember.
118
271000
3000
Това ни напътства обратно към мястото, което сме искали да запомним.
04:49
But we also know where we are through movement.
119
274000
3000
Друг начин, по който разбираме къде сме, е чрез движение.
04:52
So if we take some outbound path --
120
277000
2000
Ако например се отдалечаваме от дадена точка --
04:54
perhaps we park and we wander off --
121
279000
2000
да кажем, че сме паркирали и тръгваме нанякъде --
04:56
we know because our own movements,
122
281000
2000
на база на движението си по този път,
04:58
which we can integrate over this path
123
283000
2000
което можем да обединим в едно цяло,
05:00
roughly what the heading direction is to go back.
124
285000
2000
придобиваме груба представа коя би била обратната посока.
05:02
And place cells also get this kind of path integration input
125
287000
4000
Клетките за местоположение получават информация за цялостния ни маршрут
05:06
from a kind of cell called a grid cell.
126
291000
3000
от тип клетки, наречени координатни клетки.
05:09
Now grid cells are found, again,
127
294000
2000
Този тип клетки намираме отново
05:11
on the inputs to the hippocampus,
128
296000
2000
да изпращат информация към хипокампуса
05:13
and they're a bit like place cells.
129
298000
2000
и донякъде приличат на клетките за местоположение.
05:15
But now as the rat explores around,
130
300000
2000
Но в този случай, докато плъхът изучава средата си,
05:17
each individual cell fires
131
302000
2000
всяка клетка подава импулси
05:19
in a whole array of different locations
132
304000
3000
в множество различни точки,
05:22
which are laid out across the environment
133
307000
2000
разположени из средата
05:24
in an amazingly regular triangular grid.
134
309000
3000
в удивително правилна триъгълна решетка.
05:29
And if you record from several grid cells --
135
314000
3000
И ако запишем активността на няколко подобни координатни клетки --
05:32
shown here in different colors --
136
317000
2000
показани тук в различни цветове --
05:34
each one has a grid-like firing pattern across the environment,
137
319000
3000
на всяка от тях отговаря един, подобен на решетка, модел на активиране,
05:37
and each cell's grid-like firing pattern is shifted slightly
138
322000
3000
като всяка решетка е леко изместена
05:40
relative to the other cells.
139
325000
2000
спрямо останалите.
05:42
So the red one fires on this grid
140
327000
2000
Следователно червената изпраща импулси съгласно тази решетка,
05:44
and the green one on this one and the blue on on this one.
141
329000
3000
зелената -- спрямо тази, а синята -- спрямо тази.
05:47
So together, it's as if the rat
142
332000
3000
Като цяло изглежда, че плъхът
05:50
can put a virtual grid of firing locations
143
335000
2000
може да разположи в средата си виртуална решетка
05:52
across its environment --
144
337000
2000
от активни точки --
05:54
a bit like the latitude and longitude lines that you'd find on a map,
145
339000
3000
нещо като паралелите и меридианите на географската карта --
05:57
but using triangles.
146
342000
2000
но използвайки триъгълници.
05:59
And as it moves around,
147
344000
2000
И докато се движи наоколо,
06:01
the electrical activity can pass
148
346000
2000
електрическата активност може да преминава
06:03
from one of these cells to the next cell
149
348000
2000
от една клетка към друга
06:05
to keep track of where it is,
150
350000
2000
за да проследява местонахождението му,
06:07
so that it can use its own movements
151
352000
2000
така че животното да използва собствените си движения,
06:09
to know where it is in its environment.
152
354000
2000
за да разбере къде се намира.
06:11
Do people have grid cells?
153
356000
2000
Дали хората имат координатни клетки?
06:13
Well because all of the grid-like firing patterns
154
358000
2000
Тъй като всички решетъчни модели на активност
06:15
have the same axes of symmetry,
155
360000
2000
имат едни и същи оси на симетрия,
06:17
the same orientations of grid, shown in orange here,
156
362000
3000
еднаква ориентация на решетката, показана в оранжево тук,
06:20
it means that the net activity
157
365000
2000
това означава, че мрежовата дейност
06:22
of all of the grid cells in a particular part of the brain
158
367000
3000
на всички координатни клетки в определена част на мозъка
06:25
should change
159
370000
2000
би трябвало да се измени
06:27
according to whether we're running along these six directions
160
372000
2000
в зависимост от това дали тичаме в тези шест посоки
06:29
or running along one of the six directions in between.
161
374000
3000
или в някоя от шестте посоки посредата.
06:32
So we can put people in an MRI scanner
162
377000
2000
Можем да поставим някого в ЯМР скенер
06:34
and have them do a little video game
163
379000
2000
и да го накараме да изиграе кратка видео игра
06:36
like the one I showed you
164
381000
2000
като онази, която ви показах,
06:38
and look for this signal.
165
383000
2000
за да потърсим подобен сигнал.
06:40
And indeed, you do see it in the human entorhinal cortex,
166
385000
3000
И наистина, ще го открием в човешкия енторинален кортекс --
06:43
which is the same part of the brain that you see grid cells in rats.
167
388000
3000
същата част на мозъка, където намираме координатните клетки при плъховете.
06:46
So back to Homer.
168
391000
2000
Сега нека се върнем при Хоумър.
06:48
He's probably remembering where his car was
169
393000
2000
Той може би си спомня къде е била колата му
06:50
in terms of the distances and directions
170
395000
2000
по отношение на разстоянието и посоката
06:52
to extended buildings and boundaries
171
397000
2000
към редиците сгради и преградите
06:54
around the location where he parked.
172
399000
2000
около мястото, където е паркирал.
06:56
And that would be represented
173
401000
2000
И това ще е представено
06:58
by the firing of boundary-detecting cells.
174
403000
2000
от активирането на клетки, засичащи прегради.
07:00
He's also remembering the path he took out of the car park,
175
405000
3000
Той помни също така маршрута си на излизане от паркинга,
07:03
which would be represented in the firing of grid cells.
176
408000
3000
който ще е представен от активирането на координатни клетки.
07:06
Now both of these kinds of cells
177
411000
2000
Всеки от тези два типа клетки
07:08
can make the place cells fire.
178
413000
2000
може да активира клетките за местоположение.
07:10
And he can return to the location where he parked
179
415000
2000
Така той може да се върне до мястото, където е паркирал,
07:12
by moving so as to find where it is
180
417000
3000
като се движи, така че да намери къде настоящият модел
07:15
that best matches the firing pattern
181
420000
2000
на активиране на клетките за местоположение
07:17
of the place cells in his brain currently
182
422000
2000
най-пълно пасва на
07:19
with the stored pattern where he parked his car.
183
424000
3000
запаметения модел на мястото на паркиране.
07:22
And that guides him back to that location
184
427000
2000
Това го насочва обратно към мястото
07:24
irrespective of visual cues
185
429000
2000
независимо от зрителни знаци,
07:26
like whether his car's actually there.
186
431000
2000
като това дали колата му наистина е там.
07:28
Maybe it's been towed.
187
433000
2000
Може да е била вдигната от паяк.
07:30
But he knows where it was, so he knows to go and get it.
188
435000
3000
Но той знае къде е била и може да стигне до нея.
07:33
So beyond spatial memory,
189
438000
2000
Така, ако потърсим
07:35
if we look for this grid-like firing pattern
190
440000
2000
този решетъчен модел на активиране
07:37
throughout the whole brain,
191
442000
2000
в целия мозък,
07:39
we see it in a whole series of locations
192
444000
3000
ще го срещнем на множество места,
07:42
which are always active
193
447000
2000
които са активни винаги, когато
07:44
when we do all kinds of autobiographical memory tasks,
194
449000
2000
мозъкът ни извършва задачи, свързани с паметта,
07:46
like remembering the last time you went to a wedding, for example.
195
451000
3000
например кога за последен път сме били на сватба.
07:49
So it may be that the neural mechanisms
196
454000
2000
Следователно е възможно невронните механизми,
07:51
for representing the space around us
197
456000
3000
отговорни за пространствената ни ориентация,
07:54
are also used for generating visual imagery
198
459000
4000
да се използват също така за създаване на визуални образи,
07:58
so that we can recreate the spatial scene, at least,
199
463000
3000
така че, когато поискаме да си спомним нещо, да можем да пресъздадем поне
08:01
of the events that have happened to us when we want to imagine them.
200
466000
3000
пространствена картина на събитията.
08:04
So if this was happening,
201
469000
2000
Ако това е така, спомените ни се събуждат
08:06
your memories could start by place cells activating each other
202
471000
3000
като клетките за местонахождение се активират взаимно
08:09
via these dense interconnections
203
474000
2000
чрез тези тесни взаимовръзки
08:11
and then reactivating boundary cells
204
476000
2000
и след това на свой ред активират клетките, регистриращи препятствия,
08:13
to create the spatial structure
205
478000
2000
за да създадат пространствената структура
08:15
of the scene around your viewpoint.
206
480000
2000
на сцената около нас.
08:17
And grid cells could move this viewpoint through that space.
207
482000
2000
А координатните клетки придвижват гледната ни точка в пространството.
08:19
Another kind of cell, head direction cells,
208
484000
2000
Съществува и друг тип клетки, които не споменах --
08:21
which I didn't mention yet,
209
486000
2000
тези, регистриращи посоката напред --
08:23
they fire like a compass according to which way you're facing.
210
488000
3000
те подават импулси като компас в зависимост от това накъде сме обърнати.
08:26
They could define the viewing direction
211
491000
2000
Те могат да определят посоката, от която искаме
08:28
from which you want to generate an image for your visual imagery,
212
493000
3000
да създадем визуален образ, така че да можем
08:31
so you can imagine what happened when you were at this wedding, for example.
213
496000
3000
да си представим какво е станало на онази сватба, например.
08:34
So this is just one example
214
499000
2000
Това е само един пример
08:36
of a new era really
215
501000
2000
от всъщност нова епоха
08:38
in cognitive neuroscience
216
503000
2000
в когнитивната невронаука,
08:40
where we're beginning to understand
217
505000
2000
в която започваме да разбираме
08:42
psychological processes
218
507000
2000
психологичните процеси, като това
08:44
like how you remember or imagine or even think
219
509000
3000
как човек помни или си представя или дори -- мисли
08:47
in terms of the actions
220
512000
2000
от гледна точка на дейността на
08:49
of the billions of individual neurons that make up our brains.
221
514000
3000
милиардите индивидуални неврони, които изграждат нашите мозъци.
08:52
Thank you very much.
222
517000
2000
Много ви благодаря.
08:54
(Applause)
223
519000
3000
(Аплодисменти)
ABOUT THE SPEAKER
Neil Burgess - NeuroscientistAt 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.
Neil Burgess | Speaker | TED.com