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
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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。
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
やたらに広い駐車場で
00:17
how do we remember where we parked our car?
1
2000
2000
車を停めた場所をどうやって覚えますか？
00:19
Here's the problem facing Homer.
2
4000
3000
ホーマーさんに考えてもらいましょう
00:22
And we're going to try to understand
3
7000
2000
そして彼の脳で行われていることを
00:24
what's happening in his brain.
4
9000
2000
理解してみましょう
00:26
So we'll start with the hippocampus, shown in yellow,
5
11000
2000
まず 黄色で示した「海馬」
00:28
which is the organ of memory.
6
13000
2000
ここは記憶を司る器官です
00:30
If you have damage there, like in Alzheimer's,
7
15000
2000
アルツハイマー病などで傷つくと
00:32
you can't remember things including where you parked your car.
8
17000
2000
駐車した場所が覚えられなくなります
00:34
It's named after Latin for "seahorse,"
9
19000
2000
なお 語源は形が似ている
00:36
which it resembles.
10
21000
2000
「タツノオトシゴ」のラテン名です
00:38
And like the rest of the brain, it's made of neurons.
11
23000
2000
海馬は神経細胞でできています
00:40
So the human brain
12
25000
2000
人間の脳には
00:42
has about a hundred billion neurons in it.
13
27000
2000
千億もの神経細胞があり
00:44
And the neurons communicate with each other
14
29000
3000
それらの連絡は
00:47
by sending little pulses or spikes of electricity
15
32000
2000
微弱な電気パルスやスパイク信号を
00:49
via connections to each other.
16
34000
2000
送り合うことで行われています
00:51
The hippocampus is formed of two sheets of cells,
17
36000
3000
海馬には二つの細胞層があり
00:54
which are very densely interconnected.
18
39000
2000
それらは密につながっています
00:56
And scientists have begun to understand
19
41000
2000
近年 マウスやラットが
00:58
how spatial memory works
20
43000
2000
飼育ケージでえさを探している間の
01:00
by recording from individual neurons
21
45000
2000
神経細胞の活動を計測することで
01:02
in rats or mice
22
47000
2000
「空間の認知」に関する
01:04
while they forage or explore an environment
23
49000
2000
記憶の仕組みが
01:06
looking for food.
24
51000
2000
解明されつつあります
01:08
So we're going to imagine we're recording from a single neuron
25
53000
3000
いま仮に ラットの海馬にある
01:11
in the hippocampus of this rat here.
26
56000
3000
１個の神経細胞を計測中とします
01:14
And when it fires a little spike of electricity,
27
59000
2000
細胞が信号を発すると
01:16
there's going to be a red dot and a click.
28
61000
3000
赤く光ると共にジジジと音がします
01:19
So what we see
29
64000
2000
ご覧の通り
01:21
is that this neuron knows
30
66000
2000
この細胞はラットが
01:23
whenever the rat has gone into one particular place in its environment.
31
68000
3000
特定の場所に行ったときだけ活動します
01:26
And it signals to the rest of the brain
32
71000
2000
そして脳の他の部分に
01:28
by sending a little electrical spike.
33
73000
3000
信号を送るのです
01:31
So we could show the firing rate of that neuron
34
76000
3000
図にすると この細胞がどの位置を
01:34
as a function of the animal's location.
35
79000
2000
担当しているかがわかります
01:36
And if we record from lots of different neurons,
36
81000
2000
こうして多くの細胞を計測していくと
01:38
we'll see that different neurons fire
37
83000
2000
ラットが移動した場所ごとに
01:40
when the animal goes in different parts of its environment,
38
85000
2000
別々の細胞が働いていることが
01:42
like in this square box shown here.
39
87000
2000
わかりました
01:44
So together they form a map
40
89000
2000
こうして神経細胞は地図を作って
01:46
for the rest of the brain,
41
91000
2000
脳全体に
01:48
telling the brain continually,
42
93000
2000
「いま自分がどこにいるか」を
01:50
"Where am I now within my environment?"
43
95000
2000
知らせ続けているのです
01:52
Place cells are also being recorded in humans.
44
97000
3000
この「場所細胞」は人間にも見つかっています
01:55
So epilepsy patients sometimes need
45
100000
2000
てんかんの患者が
01:57
the electrical activity in their brain monitoring.
46
102000
3000
定期的に脳の検査をするとき
02:00
And some of these patients played a video game
47
105000
2000
小さな街をドライブするゲームを
02:02
where they drive around a small town.
48
107000
2000
したことがありました
02:04
And place cells in their hippocampi would fire, become active,
49
109000
3000
街の特定の場所をドライブすると
02:07
start sending electrical impulses
50
112000
3000
海馬の「場所細胞」が活性化し
02:10
whenever they drove through a particular location in that town.
51
115000
3000
電気信号を送り始めるのです
02:13
So how does a place cell know
52
118000
2000
ではどのように場所細胞は
02:15
where the rat or person is within its environment?
53
120000
3000
環境の中の位置を知るのでしょうか
02:18
Well these two cells here
54
123000
2000
この2つの細胞は
02:20
show us that the boundaries of the environment
55
125000
2000
環境における「境界」が
02:22
are particularly important.
56
127000
2000
重要な事を示しています
02:24
So the one on the top
57
129000
2000
上の細胞は
02:26
likes to fire sort of midway between the walls
58
131000
2000
ラットが箱の壁の中央に
02:28
of the box that their rat's in.
59
133000
2000
いる時に興奮するようです
02:30
And when you expand the box, the firing location expands.
60
135000
3000
箱が大きくなれば 範囲も広くなります
02:33
The one below likes to fire
61
138000
2000
下の細胞は南側の壁に近い時に
02:35
whenever there's a wall close by to the south.
62
140000
3000
興奮するようです
02:38
And if you put another wall inside the box,
63
143000
2000
ですから箱の中に新しく壁を作ると
02:40
then the cell fires in both place
64
145000
2000
動物が箱の中を歩きまわったとき
02:42
wherever there's a wall to the south
65
147000
2000
壁が南側にあるときに限って
02:44
as the animal explores around in its box.
66
149000
3000
その細胞が興奮するのです
02:48
So this predicts
67
153000
2000
このことは
02:50
that sensing the distances and directions of boundaries around you --
68
155000
2000
あなたの周りの建物などの
02:52
extended buildings and so on --
69
157000
2000
距離や方向を感じ取ることが
02:54
is particularly important for the hippocampus.
70
159000
3000
海馬にとって非常に重要なことを示します
02:57
And indeed, on the inputs to the hippocampus,
71
162000
2000
実際に 海馬につながる細胞のなかで
02:59
cells are found which project into the hippocampus,
72
164000
2000
ラットやマウスが歩きまわる際に
03:01
which do respond exactly
73
166000
2000
境界や縁への
03:03
to detecting boundaries or edges
74
168000
3000
距離や方向を感知して
03:06
at particular distances and directions
75
171000
2000
海馬に
03:08
from the rat or mouse
76
173000
2000
正確に伝える細胞が
03:10
as it's exploring around.
77
175000
2000
発見されています
03:12
So the cell on the left, you can see,
78
177000
2000
左側の細胞は
03:14
it fires whenever the animal gets near
79
179000
2000
実験動物が東側の境界や壁に
03:16
to a wall or a boundary to the east,
80
181000
3000
近づいた時に反応します
03:19
whether it's the edge or the wall of a square box
81
184000
3000
それが四角い箱であっても
03:22
or the circular wall of the circular box
82
187000
2000
丸い箱の曲がった壁であったとしても
03:24
or even the drop at the edge of a table, which the animals are running around.
83
189000
3000
テーブルの縁であったとしてもです
03:27
And the cell on the right there
84
192000
2000
そして右側の細胞は
03:29
fires whenever there's a boundary to the south,
85
194000
2000
南側の境界があるときに反応します
03:31
whether it's the drop at the edge of the table or a wall
86
196000
2000
それが壁やテーブルの縁であっても
03:33
or even the gap between two tables that are pulled apart.
87
198000
3000
離れたテーブルの隙間だったとしてもです
03:36
So that's one way in which we think
88
201000
2000
これこそが「場所細胞」が
03:38
place cells determine where the animal is as it's exploring around.
89
203000
3000
自分の位置を知る一つの手段と考えられます
03:41
We can also test where we think objects are,
90
206000
3000
目的物の場所の予想テストもしました
03:44
like this goal flag, in simple environments --
91
209000
3000
単純な場所の どこに旗があるか？
03:47
or indeed, where your car would be.
92
212000
2000
要は駐車場の車の位置みたいなものです
03:49
So we can have people explore an environment
93
214000
3000
まず 実験する場所を探索してもらい
03:52
and see the location they have to remember.
94
217000
3000
覚えるべき位置を見てもらいます
03:55
And then, if we put them back in the environment,
95
220000
2000
少し後に もういちど同じ場所に戻ると
03:57
generally they're quite good at putting a marker down
96
222000
2000
大体の人は 旗や車がどこにあったか
03:59
where they thought that flag or their car was.
97
224000
3000
正確に示すことができます
04:02
But on some trials,
98
227000
2000
では こんどの実験では
04:04
we could change the shape and size of the environment
99
229000
2000
部屋の形や大きさを
04:06
like we did with the place cell.
100
231000
2000
最初に見たものと変えてしまいます
04:08
In that case, we can see
101
233000
2000
この場合でも 私たちは
04:10
how where they think the flag had been changes
102
235000
3000
環境の形や大きさの変化に応じて
04:13
as a function of how you change the shape and size of the environment.
103
238000
3000
目的物の位置を予想することができるのです
04:16
And what you see, for example,
104
241000
2000
いいですか 例えば
04:18
if the flag was where that cross was in a small square environment,
105
243000
3000
小さな四角形の矢印部分に旗があるとします
04:21
and then if you ask people where it was,
106
246000
2000
そして 誰かに旗がどこにあるのか尋ねます
04:23
but you've made the environment bigger,
107
248000
2000
ここで 四角形をもっと大きくすると
04:25
where they think the flag had been
108
250000
2000
彼らの考える旗の位置が
04:27
stretches out in exactly the same way
109
252000
2000
場所細胞の活性化領域が拡がるのと
04:29
that the place cell firing stretched out.
110
254000
2000
同様に拡大するのです
04:31
It's as if you remember where the flag was
111
256000
2000
つまり どこに旗があるかの記憶は
04:33
by storing the pattern of firing across all of your place cells
112
258000
3000
場所細胞の活性化パターンの蓄積により
04:36
at that location,
113
261000
2000
行われているようです
04:38
and then you can get back to that location
114
263000
2000
だから 少し後にその場所に戻っても
04:40
by moving around
115
265000
2000
場所細胞が同じように活性化する位置を
04:42
so that you best match the current pattern of firing of your place cells
116
267000
2000
動きまわって探すことで
04:44
with that stored pattern.
117
269000
2000
覚えようと思った場所に
04:46
That guides you back to the location that you want to remember.
118
271000
3000
戻ってくることができるのです
04:49
But we also know where we are through movement.
119
274000
3000
一方 動くことで位置を知ることもできます
04:52
So if we take some outbound path --
120
277000
2000
道を間違えたとき
04:54
perhaps we park and we wander off --
121
279000
2000
駐車して そのへんを歩きまわりますよね？
04:56
we know because our own movements,
122
281000
2000
私たちは 動き回れば
04:58
which we can integrate over this path
123
283000
2000
もとに戻るためにどの方向へ向かえば良いか
05:00
roughly what the heading direction is to go back.
124
285000
2000
ざっくり統合できると知っています
05:02
And place cells also get this kind of path integration input
125
287000
4000
場所細胞は このような進路統合信号を
05:06
from a kind of cell called a grid cell.
126
291000
3000
「グリッド（格子）細胞」から得ています
05:09
Now grid cells are found, again,
127
294000
2000
グリッド細胞とは
05:11
on the inputs to the hippocampus,
128
296000
2000
海馬につながった細胞で
05:13
and they're a bit like place cells.
129
298000
2000
場所細胞と似た性質があります
05:15
But now as the rat explores around,
130
300000
2000
しかし ラットがあちこち動き回っているときの
05:17
each individual cell fires
131
302000
2000
あるグリッド細胞の働きを調べてみると
05:19
in a whole array of different locations
132
304000
3000
別々の場所で規則正しく活性化し
05:22
which are laid out across the environment
133
307000
2000
驚くほど綺麗な三角形の格子を
05:24
in an amazingly regular triangular grid.
134
309000
3000
作ることがわかります
05:29
And if you record from several grid cells --
135
314000
3000
いくつかのグリッド細胞を記録してみると
05:32
shown here in different colors --
136
317000
2000
ここに 異なる色で示していますが
05:34
each one has a grid-like firing pattern across the environment,
137
319000
3000
それぞれの細胞が持つ
05:37
and each cell's grid-like firing pattern is shifted slightly
138
322000
3000
格子状の活性化パターンは
05:40
relative to the other cells.
139
325000
2000
少しずつ ずれていることがわかります
05:42
So the red one fires on this grid
140
327000
2000
赤の細胞は このような格子で
05:44
and the green one on this one and the blue on on this one.
141
329000
3000
緑はこう 青はこのように活性化しています。
05:47
So together, it's as if the rat
142
332000
3000
まとめると ラットは
05:50
can put a virtual grid of firing locations
143
335000
2000
空間上に 仮想のグリッド（格子）を
05:52
across its environment --
144
337000
2000
置いているようです
05:54
a bit like the latitude and longitude lines that you'd find on a map,
145
339000
3000
要は 地図にある経線や緯線のようなものです
05:57
but using triangles.
146
342000
2000
三角形ですけどね
05:59
And as it moves around,
147
344000
2000
ラットがあちこち動き回るとき
06:01
the electrical activity can pass
148
346000
2000
ある細胞からある細胞へと
06:03
from one of these cells to the next cell
149
348000
2000
活性が受け継がれていくことで
06:05
to keep track of where it is,
150
350000
2000
現在位置が把握されます
06:07
so that it can use its own movements
151
352000
2000
だから 自分の動きを利用して
06:09
to know where it is in its environment.
152
354000
2000
今どこにいるかを知ることができるのです
06:11
Do people have grid cells?
153
356000
2000
人間もそうなのか？
06:13
Well because all of the grid-like firing patterns
154
358000
2000
まず 全ての格子状のパターンには
06:15
have the same axes of symmetry,
155
360000
2000
対称の軸があり
06:17
the same orientations of grid, shown in orange here,
156
362000
3000
オレンジで示したような方向性があります
06:20
it means that the net activity
157
365000
2000
つまり 私たちが
06:22
of all of the grid cells in a particular part of the brain
158
367000
3000
６つの方向のどれかに向かっている場合と
06:25
should change
159
370000
2000
そうでない場合で
06:27
according to whether we're running along these six directions
160
372000
2000
脳の特定の場所にあるグリッド細胞の活動は
06:29
or running along one of the six directions in between.
161
374000
3000
変わるはずです
06:32
So we can put people in an MRI scanner
162
377000
2000
そこで何人かにＭＲＩスキャナーに入ってもらい
06:34
and have them do a little video game
163
379000
2000
先ほどお見せしたような
06:36
like the one I showed you
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381000
2000
ゲームをやってもらって
06:38
and look for this signal.
165
383000
2000
この信号を探しました
06:40
And indeed, you do see it in the human entorhinal cortex,
166
385000
3000
すると 脳の「嗅内皮質」の中に見つかりました
06:43
which is the same part of the brain that you see grid cells in rats.
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388000
3000
ラットのグリッド細胞がある部分と 同じ場所です
06:46
So back to Homer.
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391000
2000
では再びホーマーさん
06:48
He's probably remembering where his car was
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393000
2000
彼は どこに車を停めたかを
06:50
in terms of the distances and directions
170
395000
2000
まわりの建物や壁からの
06:52
to extended buildings and boundaries
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397000
2000
距離や方角という情報から
06:54
around the location where he parked.
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399000
2000
覚えているのでしょう
06:56
And that would be represented
173
401000
2000
それは「境界」を検知する細胞に
06:58
by the firing of boundary-detecting cells.
174
403000
2000
よって示されます
07:00
He's also remembering the path he took out of the car park,
175
405000
3000
また 彼は駐車場から出る道を覚えていますが
07:03
which would be represented in the firing of grid cells.
176
408000
3000
それはグリッド細胞によって示されます
07:06
Now both of these kinds of cells
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411000
2000
これらの二つの細胞は
07:08
can make the place cells fire.
178
413000
2000
場所細胞を活性化させます
07:10
And he can return to the location where he parked
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415000
2000
そして彼は戻ってくるときに
07:12
by moving so as to find where it is
180
417000
3000
場所細胞が記録したパターンに
07:15
that best matches the firing pattern
181
420000
2000
最も合う場所に移動することで
07:17
of the place cells in his brain currently
182
422000
2000
車を停めた場所に
07:19
with the stored pattern where he parked his car.
183
424000
3000
戻ってくることができるのです
07:22
And that guides him back to that location
184
427000
2000
そしてホーマーさんは
07:24
irrespective of visual cues
185
429000
2000
車という視覚的刺激の無い場所に
07:26
like whether his car's actually there.
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431000
2000
導かれてしまいました
07:28
Maybe it's been towed.
187
433000
2000
きっと車は 牽引されてしまったのでしょう
07:30
But he knows where it was, so he knows to go and get it.
188
435000
3000
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
07:33
So beyond spatial memory,
189
438000
2000
さて 空間的な記憶だけでなく
07:35
if we look for this grid-like firing pattern
190
440000
2000
脳全体にわたって格子状の活性化パターンを
07:37
throughout the whole brain,
191
442000
2000
探してみると
07:39
we see it in a whole series of locations
192
444000
3000
たとえば最後に行った結婚式を思い出すような
07:42
which are always active
193
447000
2000
「自伝的記憶」に関する
07:44
when we do all kinds of autobiographical memory tasks,
194
449000
2000
作業を行うすべての場所で
07:46
like remembering the last time you went to a wedding, for example.
195
451000
3000
格子状の活性パターンが見られました
07:49
So it may be that the neural mechanisms
196
454000
2000
つまり 空間を認知するための仕組みは
07:51
for representing the space around us
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456000
3000
視覚的なイメージを
07:54
are also used for generating visual imagery
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459000
4000
生み出すためも使われているのかもしれません
07:58
so that we can recreate the spatial scene, at least,
199
463000
3000
だから私たちは 過去の出来事を思い出すとき
08:01
of the events that have happened to us when we want to imagine them.
200
466000
3000
その場面を思い浮かべることができるのです
08:04
So if this was happening,
201
469000
2000
もしこれが本当なら
08:06
your memories could start by place cells activating each other
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471000
3000
あなたの記憶は この密な相互作用によって
08:09
via these dense interconnections
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474000
2000
場所細胞が互いに活性化させあい
08:11
and then reactivating boundary cells
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476000
2000
そして 境界細胞が活性化し
08:13
to create the spatial structure
205
478000
2000
あなたの視点の周りの空間を構築することで
08:15
of the scene around your viewpoint.
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480000
2000
始まっているのかもしれません
08:17
And grid cells could move this viewpoint through that space.
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482000
2000
そしてグリッド細胞は 視点を変えてくれます
08:19
Another kind of cell, head direction cells,
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484000
2000
まだ言及していない「頭部方向細胞」は
08:21
which I didn't mention yet,
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486000
2000
どの方向に顔を向けているかによって
08:23
they fire like a compass according to which way you're facing.
210
488000
3000
コンパスのように活性化します
08:26
They could define the viewing direction
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491000
2000
それらはあなたが創造したい
08:28
from which you want to generate an image for your visual imagery,
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493000
3000
視覚的イメージに合わせて視野角を決めます
08:31
so you can imagine what happened when you were at this wedding, for example.
213
496000
3000
こうして 結婚式場で起きたことを思い出せるのです
08:34
So this is just one example
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499000
2000
以上のことは
08:36
of a new era really
215
501000
2000
脳を構成する
08:38
in cognitive neuroscience
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503000
2000
無数の神経細胞の活動から
08:40
where we're beginning to understand
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505000
2000
私たちが どのように記憶し 想像し
08:42
psychological processes
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507000
2000
考えるかなどを理解する
08:44
like how you remember or imagine or even think
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509000
3000
新たな時代の
08:47
in terms of the actions
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512000
2000
認知神経科学の
08:49
of the billions of individual neurons that make up our brains.
221
514000
3000
一例にしか過ぎません
08:52
Thank you very much.
222
517000
2000
ありがとうございました
08:54
(Applause)
223
519000
3000
（拍手）
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