TEDSalon London Spring 2011
Neil Burgess: How your brain tells you where you are
Нил Берджесс: Как мозг сообщает вам, где вы находитесь
Filmed:
Readability: 4.2
1,458,267 views
Как вы запоминаете, где припарковали машину? Каким образом вы понимаете, что двигаетесь в нужном направлении? Нейробиолог Нил Берджесс изучает нервные механизмы, отображающие пространство вокруг нас, и то, как они связаны с памятью и воображением.
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
Когда вы паркуете машину на просторной стоянке,
00:17
how do we remember where we parked our car?
1
2000
2000
как вы запоминаете её точное местоположение?
00:19
Here's the problem facing Homer.
2
4000
3000
Этой проблемой озадачен и Гомер.
00:22
And we're going to try to understand
3
7000
2000
Мы попытаемся понять,
00:24
what's happening in his brain.
4
9000
2000
что именно происходит у него в голове.
00:26
So we'll start with the hippocampus, shown in yellow,
5
11000
2000
Начнём с этой жёлтой извилины морского конька,
00:28
which is the organ of memory.
6
13000
2000
отвечающей за память.
00:30
If you have damage there, like in Alzheimer's,
7
15000
2000
Если она повреждена, как при болезни Альцгеймера,
00:32
you can't remember things including where you parked your car.
8
17000
2000
вы ничего не помните, включая место парковки машины.
00:34
It's named after Latin for "seahorse,"
9
19000
2000
Название извилины происходит от латинского
00:36
which it resembles.
10
21000
2000
«морской конёк», который она напоминает.
00:38
And like the rest of the brain, it's made of neurons.
11
23000
2000
Как и весь мозг, она состоит из нейронов.
00:40
So the human brain
12
25000
2000
Человеческий мозг содержит
00:42
has about a hundred billion neurons in it.
13
27000
2000
около 100 миллиардов нейронов.
00:44
And the neurons communicate with each other
14
29000
3000
Нейроны общаются между собой,
00:47
by sending little pulses or spikes of electricity
15
32000
2000
посылая друг другу по связям
00:49
via connections to each other.
16
34000
2000
электрические импульсы.
00:51
The hippocampus is formed of two sheets of cells,
17
36000
3000
Гиппокамп состоит из двух пластов нейронов,
00:54
which are very densely interconnected.
18
39000
2000
тесно связанных между собой.
00:56
And scientists have begun to understand
19
41000
2000
Учёные начали понимать принципы
00:58
how spatial memory works
20
43000
2000
работы пространственной памяти
01:00
by recording from individual neurons
21
45000
2000
при помощи записи отдельных нейронов
01:02
in rats or mice
22
47000
2000
у крыс и мышей,
01:04
while they forage or explore an environment
23
49000
2000
когда те исследуют окрестности
01:06
looking for food.
24
51000
2000
в поисках еды.
01:08
So we're going to imagine we're recording from a single neuron
25
53000
3000
Посмотрим на запись сигнала одного нейрона
01:11
in the hippocampus of this rat here.
26
56000
3000
гиппокампа вот этой крысы.
01:14
And when it fires a little spike of electricity,
27
59000
2000
Когда он посылает электрический импульс,
01:16
there's going to be a red dot and a click.
28
61000
3000
вы увидите красную точку и услышите щелчок.
01:19
So what we see
29
64000
2000
Мы видим,
01:21
is that this neuron knows
30
66000
2000
что этот нейрон знает
01:23
whenever the rat has gone into one particular place in its environment.
31
68000
3000
о передвижениях крысы в пространстве.
01:26
And it signals to the rest of the brain
32
71000
2000
Он подаёт сигнал мозгу,
01:28
by sending a little electrical spike.
33
73000
3000
посылая электрический импульс.
01:31
So we could show the firing rate of that neuron
34
76000
3000
Мы можем сказать, что КПД этого нейрона
01:34
as a function of the animal's location.
35
79000
2000
зависит от местоположения животного.
01:36
And if we record from lots of different neurons,
36
81000
2000
Если мы проследим за множеством нейронов,
01:38
we'll see that different neurons fire
37
83000
2000
окажется, что разные нейроны реагируют
01:40
when the animal goes in different parts of its environment,
38
85000
2000
при перемещении животного в пространстве,
01:42
like in this square box shown here.
39
87000
2000
как показано вот здесь.
01:44
So together they form a map
40
89000
2000
Вместе нейроны формируют карту
01:46
for the rest of the brain,
41
91000
2000
для всего мозга,
01:48
telling the brain continually,
42
93000
2000
постоянно сообщая ему
01:50
"Where am I now within my environment?"
43
95000
2000
местоположение в данный конкретный момент.
01:52
Place cells are also being recorded in humans.
44
97000
3000
Нейроны места обнаружены и у человека.
01:55
So epilepsy patients sometimes need
45
100000
2000
Поэтому иногда больные эпилепсией нуждаются
01:57
the electrical activity in their brain monitoring.
46
102000
3000
в контроле электрической активности мозга.
02:00
And some of these patients played a video game
47
105000
2000
Некоторые из пациентов играли в видеоигру —
02:02
where they drive around a small town.
48
107000
2000
ездили на машине по небольшому городу.
02:04
And place cells in their hippocampi would fire, become active,
49
109000
3000
Нейроны места в гиппокампе становились активными,
02:07
start sending electrical impulses
50
112000
3000
посылали электрические импульсы,
02:10
whenever they drove through a particular location in that town.
51
115000
3000
когда пациенты ехали по определённой местности в том городе.
02:13
So how does a place cell know
52
118000
2000
Как нейрон места понимает,
02:15
where the rat or person is within its environment?
53
120000
3000
где именно находится крыса или человек?
02:18
Well these two cells here
54
123000
2000
Эти два нейрона показывают,
02:20
show us that the boundaries of the environment
55
125000
2000
что границы пространства
02:22
are particularly important.
56
127000
2000
очень важны.
02:24
So the one on the top
57
129000
2000
Нейрону сверху нравится
02:26
likes to fire sort of midway between the walls
58
131000
2000
реагировать на полпути от стен коробки,
02:28
of the box that their rat's in.
59
133000
2000
в которой находится крыса.
02:30
And when you expand the box, the firing location expands.
60
135000
3000
Чем больше коробка, тем шире активное пространство нейрона.
02:33
The one below likes to fire
61
138000
2000
Нейрону снизу нравится реагировать
02:35
whenever there's a wall close by to the south.
62
140000
3000
поблизости от стены на юге.
02:38
And if you put another wall inside the box,
63
143000
2000
И если поместить ещё одну стену в коробку,
02:40
then the cell fires in both place
64
145000
2000
нейрон реагирует оба раза
02:42
wherever there's a wall to the south
65
147000
2000
при приближении животного
02:44
as the animal explores around in its box.
66
149000
3000
к стене на юге.
02:48
So this predicts
67
153000
2000
Поэтому можно предположить,
02:50
that sensing the distances and directions of boundaries around you --
68
155000
2000
что ощущение расстояний и направление границ вокруг,
02:52
extended buildings and so on --
69
157000
2000
в огромных зданиях и т.д.,
02:54
is particularly important for the hippocampus.
70
159000
3000
особенно важно для гиппокампа.
02:57
And indeed, on the inputs to the hippocampus,
71
162000
2000
Нейроны на входе гиппокампа
02:59
cells are found which project into the hippocampus,
72
164000
2000
передают ему информацию,
03:01
which do respond exactly
73
166000
2000
реагируя непосредственно
03:03
to detecting boundaries or edges
74
168000
3000
на выявление границ или углов
03:06
at particular distances and directions
75
171000
2000
в направлении или на местности,
03:08
from the rat or mouse
76
173000
2000
которую исследует
03:10
as it's exploring around.
77
175000
2000
крыса или мышь.
03:12
So the cell on the left, you can see,
78
177000
2000
Вы видите, что нейрон слева реагирует,
03:14
it fires whenever the animal gets near
79
179000
2000
как только животное приближается
03:16
to a wall or a boundary to the east,
80
181000
3000
к стене или границе на востоке,
03:19
whether it's the edge or the wall of a square box
81
184000
3000
будь это угол или стена квадратной коробки,
03:22
or the circular wall of the circular box
82
187000
2000
округлая стена круглой коробки,
03:24
or even the drop at the edge of a table, which the animals are running around.
83
189000
3000
или же край стола, по которому бегает животное.
03:27
And the cell on the right there
84
192000
2000
Нейрон же справа реагирует
03:29
fires whenever there's a boundary to the south,
85
194000
2000
на наличие границы на юге,
03:31
whether it's the drop at the edge of the table or a wall
86
196000
2000
будь это край стола или стена,
03:33
or even the gap between two tables that are pulled apart.
87
198000
3000
или же щель между двумя раздвинутыми столами.
03:36
So that's one way in which we think
88
201000
2000
Это один из способов, по которому нейроны места
03:38
place cells determine where the animal is as it's exploring around.
89
203000
3000
определяют местонахождение животного при его перемещении.
03:41
We can also test where we think objects are,
90
206000
3000
Мы можем также проверить местонахождение объектов,
03:44
like this goal flag, in simple environments --
91
209000
3000
как вот этого флажка в обычных условиях,
03:47
or indeed, where your car would be.
92
212000
2000
или вашей машины.
03:49
So we can have people explore an environment
93
214000
3000
Мы попросим людей изучить обстановку
03:52
and see the location they have to remember.
94
217000
3000
и посмотрим, какой участок они запоминают.
03:55
And then, if we put them back in the environment,
95
220000
2000
Затем мы снова поместим их в эту обстановку.
03:57
generally they're quite good at putting a marker down
96
222000
2000
Обычно люди справляются с задачей и помнят,
03:59
where they thought that flag or their car was.
97
224000
3000
где именно находился флажок или машина.
04:02
But on some trials,
98
227000
2000
В некоторых экспериментах
04:04
we could change the shape and size of the environment
99
229000
2000
мы изменяем форму и размер окружения,
04:06
like we did with the place cell.
100
231000
2000
как в эксперименте с нейронами места.
04:08
In that case, we can see
101
233000
2000
Здесь мы наблюдаем следующее:
04:10
how where they think the flag had been changes
102
235000
3000
идеи о местонахождении флажка изменяются в зависимостиот того,
04:13
as a function of how you change the shape and size of the environment.
103
238000
3000
как мы изменяем форму и размер окружающей среды.
04:16
And what you see, for example,
104
241000
2000
Например, если флажок находился на месте
04:18
if the flag was where that cross was in a small square environment,
105
243000
3000
красного крестика в небольшом квадратном пространстве,
04:21
and then if you ask people where it was,
106
246000
2000
и если вы спросите людей о его местонахождении,
04:23
but you've made the environment bigger,
107
248000
2000
увеличив при этом пространство,
04:25
where they think the flag had been
108
250000
2000
их представление о местоположении флажка
04:27
stretches out in exactly the same way
109
252000
2000
расширяется точно так же, как расширяется
04:29
that the place cell firing stretched out.
110
254000
2000
зона активности нейронов места.
04:31
It's as if you remember where the flag was
111
256000
2000
Как будто вы запоминаете местонахождение флажка
04:33
by storing the pattern of firing across all of your place cells
112
258000
3000
по карте, созданной нейронами места
04:36
at that location,
113
261000
2000
для этого участка пространства.
04:38
and then you can get back to that location
114
263000
2000
Затем вы сможете вернуться к этому участку,
04:40
by moving around
115
265000
2000
перемещаясь по местности и пытаясь
04:42
so that you best match the current pattern of firing of your place cells
116
267000
2000
соотнести текущую создаваемую нейронами места карту
04:44
with that stored pattern.
117
269000
2000
с той, которая сохранена в памяти.
04:46
That guides you back to the location that you want to remember.
118
271000
3000
Это возвращает вас на место, которое вы запоминаете.
04:49
But we also know where we are through movement.
119
274000
3000
Не теряемся мы и во время движения.
04:52
So if we take some outbound path --
120
277000
2000
Если мы отдалимся от начальной точки —
04:54
perhaps we park and we wander off --
121
279000
2000
паркуем машину и прогуливаемся по местности —
04:56
we know because our own movements,
122
281000
2000
объединив наши передвижения
04:58
which we can integrate over this path
123
283000
2000
в один путь, мы приблизительно знаем,
05:00
roughly what the heading direction is to go back.
124
285000
2000
как вернуться назад.
05:02
And place cells also get this kind of path integration input
125
287000
4000
Нейроны места получают эту обобщённую информацию
05:06
from a kind of cell called a grid cell.
126
291000
3000
от так называемых grid-нейронов.
05:09
Now grid cells are found, again,
127
294000
2000
Grid-нейроны находятся
05:11
on the inputs to the hippocampus,
128
296000
2000
на входе гиппокампа
05:13
and they're a bit like place cells.
129
298000
2000
и напоминают нейроны места.
05:15
But now as the rat explores around,
130
300000
2000
Когда крыса исследует местность,
05:17
each individual cell fires
131
302000
2000
каждая клетка реагирует
05:19
in a whole array of different locations
132
304000
3000
во множестве различных точек,
05:22
which are laid out across the environment
133
307000
2000
которые создают на местности
05:24
in an amazingly regular triangular grid.
134
309000
3000
удивительно правильную треугольную решётку.
05:29
And if you record from several grid cells --
135
314000
3000
И если мы изучим несколько grid-нейронов,
05:32
shown here in different colors --
136
317000
2000
показанных здесь разным цветом,
05:34
each one has a grid-like firing pattern across the environment,
137
319000
3000
активность каждого из них напоминает решётку,
05:37
and each cell's grid-like firing pattern is shifted slightly
138
322000
3000
и эта решётка немного сдвинута
05:40
relative to the other cells.
139
325000
2000
по отношению к другим клеткам.
05:42
So the red one fires on this grid
140
327000
2000
Красная клетка реагирует по этой решётке,
05:44
and the green one on this one and the blue on on this one.
141
329000
3000
зелёная вот по этой, и синяя вот по этой.
05:47
So together, it's as if the rat
142
332000
3000
Все вместе они создают для крысы
05:50
can put a virtual grid of firing locations
143
335000
2000
виртуальную решётку активных участковпространства.
05:52
across its environment --
144
337000
2000
Она напоминает
05:54
a bit like the latitude and longitude lines that you'd find on a map,
145
339000
3000
линии широты и долготы на карте,
05:57
but using triangles.
146
342000
2000
только сделанные при помощи треугольников.
05:59
And as it moves around,
147
344000
2000
Крыса продолжает передвигаться,
06:01
the electrical activity can pass
148
346000
2000
и электрическая активность переходит
06:03
from one of these cells to the next cell
149
348000
2000
от одной клетки к другой,
06:05
to keep track of where it is,
150
350000
2000
чтобы крыса знала, где она находится.
06:07
so that it can use its own movements
151
352000
2000
Она использует собственные передвижения
06:09
to know where it is in its environment.
152
354000
2000
для определения своего местоположения.
06:11
Do people have grid cells?
153
356000
2000
Есть ли grid-нейроны у людей?
06:13
Well because all of the grid-like firing patterns
154
358000
2000
Поскольку все решётки активности клеток
06:15
have the same axes of symmetry,
155
360000
2000
имеют одинаковые оси симметрии,
06:17
the same orientations of grid, shown in orange here,
156
362000
3000
одинаковую ориентацию, как показано здесь оранжевым,
06:20
it means that the net activity
157
365000
2000
решётчатая активность всех grid-нейронов
06:22
of all of the grid cells in a particular part of the brain
158
367000
3000
в определённой части мозга
06:25
should change
159
370000
2000
должна изменяться согласно
06:27
according to whether we're running along these six directions
160
372000
2000
нашему передвижению в этих шести направлениях,
06:29
or running along one of the six directions in between.
161
374000
3000
или в одном из промежуточных направлений.
06:32
So we can put people in an MRI scanner
162
377000
2000
Мы можем поместить человека в МРТ аппарат
06:34
and have them do a little video game
163
379000
2000
и попросить его поиграть в видеоигру —
06:36
like the one I showed you
164
381000
2000
например ту, что мы уже видели —
06:38
and look for this signal.
165
383000
2000
и попытаться отыскать сигнал.
06:40
And indeed, you do see it in the human entorhinal cortex,
166
385000
3000
Оказывается, мы наблюдаем его в энторинальной зоне коры головного мозга.
06:43
which is the same part of the brain that you see grid cells in rats.
167
388000
3000
У крыс в этом месте мозга находятся grid-нейроны.
06:46
So back to Homer.
168
391000
2000
Вернёмся к Гомеру.
06:48
He's probably remembering where his car was
169
393000
2000
Скорей всего, он помнит, где его машина,
06:50
in terms of the distances and directions
170
395000
2000
учитывая направление и расстояние
06:52
to extended buildings and boundaries
171
397000
2000
от границ парковки
06:54
around the location where he parked.
172
399000
2000
и зданий вокруг неё.
06:56
And that would be represented
173
401000
2000
Это возможно благодаря
06:58
by the firing of boundary-detecting cells.
174
403000
2000
активности нейронов определения границ.
07:00
He's also remembering the path he took out of the car park,
175
405000
3000
Он также помнит путь, по которому вышел из парковки,
07:03
which would be represented in the firing of grid cells.
176
408000
3000
что возможно благодаря активности grid-клеток.
07:06
Now both of these kinds of cells
177
411000
2000
Эти два вида нейронов
07:08
can make the place cells fire.
178
413000
2000
активизируют нейроны места.
07:10
And he can return to the location where he parked
179
415000
2000
Он может вернуться к месту парковки машины,
07:12
by moving so as to find where it is
180
417000
3000
передвигаясь вокруг и сопоставляя
07:15
that best matches the firing pattern
181
420000
2000
текущую карту местности,
07:17
of the place cells in his brain currently
182
422000
2000
создаваемую в этот момент мозгом,
07:19
with the stored pattern where he parked his car.
183
424000
3000
с той, которая уже имеется в памяти.
07:22
And that guides him back to that location
184
427000
2000
Это и подводит его к нужному месту,
07:24
irrespective of visual cues
185
429000
2000
независимо от зрительных подсказок или того факта,
07:26
like whether his car's actually there.
186
431000
2000
что его машина находится именно там.
07:28
Maybe it's been towed.
187
433000
2000
Возможно, её отбуксировали.
07:30
But he knows where it was, so he knows to go and get it.
188
435000
3000
Но он помнит, где она была, и знает, как туда вернуться.
07:33
So beyond spatial memory,
189
438000
2000
Кроме пространственной памяти,
07:35
if we look for this grid-like firing pattern
190
440000
2000
мы встречаем решётчатую активность
07:37
throughout the whole brain,
191
442000
2000
по всему головному мозгу.
07:39
we see it in a whole series of locations
192
444000
3000
Она отмечается на множестве
07:42
which are always active
193
447000
2000
постоянно активных участков,
07:44
when we do all kinds of autobiographical memory tasks,
194
449000
2000
отвечающих за выполнение автобиографических задач,
07:46
like remembering the last time you went to a wedding, for example.
195
451000
3000
например, припоминание последней свадьбы, на которой вы были.
07:49
So it may be that the neural mechanisms
196
454000
2000
Возможно, нейронные механизмы
07:51
for representing the space around us
197
456000
3000
представления пространства вокруг нас
07:54
are also used for generating visual imagery
198
459000
4000
используются также для создания зрительных образов,
07:58
so that we can recreate the spatial scene, at least,
199
463000
3000
и мы можем воссоздать как минимум пространственные сцены
08:01
of the events that have happened to us when we want to imagine them.
200
466000
3000
произошедших с нами событий, когда мы этого хотим.
08:04
So if this was happening,
201
469000
2000
В этом процессе ваша память
08:06
your memories could start by place cells activating each other
202
471000
3000
начинается с активации нейронов места между собой
08:09
via these dense interconnections
203
474000
2000
по множественным связям.
08:11
and then reactivating boundary cells
204
476000
2000
Затем активируются нейроны границ,
08:13
to create the spatial structure
205
478000
2000
создавая пространственную схему того,
08:15
of the scene around your viewpoint.
206
480000
2000
что находится в вашем поле зрения.
08:17
And grid cells could move this viewpoint through that space.
207
482000
2000
Grid-нейроны могут перемещать поле зрения в пространстве.
08:19
Another kind of cell, head direction cells,
208
484000
2000
Ещё один вид нейронов — нейроны ориентации.
08:21
which I didn't mention yet,
209
486000
2000
О них я ещё не говорил.
08:23
they fire like a compass according to which way you're facing.
210
488000
3000
Они активизируются, как компас, в зависимости от вашего направления.
08:26
They could define the viewing direction
211
491000
2000
Они могут определить направление обзора,
08:28
from which you want to generate an image for your visual imagery,
212
493000
3000
в котором вы хотите создать зрительный образ.
08:31
so you can imagine what happened when you were at this wedding, for example.
213
496000
3000
Так вы представляете, например, что произошло на свадьбе.
08:34
So this is just one example
214
499000
2000
Это лишь один пример
08:36
of a new era really
215
501000
2000
новой эры
08:38
in cognitive neuroscience
216
503000
2000
в когнитивной нейробиологии.
08:40
where we're beginning to understand
217
505000
2000
Мы начинаем понимать
08:42
psychological processes
218
507000
2000
такие психологические процессы,
08:44
like how you remember or imagine or even think
219
509000
3000
как запоминание, воображение или мышление.
08:47
in terms of the actions
220
512000
2000
Они зависят от активности
08:49
of the billions of individual neurons that make up our brains.
221
514000
3000
несчётного числа нейронов, составляющих человеческий мозг.
08:52
Thank you very much.
222
517000
2000
Большое спасибо.
08:54
(Applause)
223
519000
3000
(Аплодисменты)
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