Neil Burgess: Come il cervello vi dice dove siete

Quando parcheggiamo in un grande parcheggio, come ricordiamo dove abbiamo lasciato la macchina? Questo è il problema che ha Homer. E cercheremo di capire cosa succede nel suo cervello.

Cominciamo con l'ippocampo, evidenziato in giallo, che è l'organo della memoria. Se è compromesso, come nell'Alzheimer, non vi ricordate le cose, compreso dove avete parcheggiato la macchina. Prende il nome dal cavalluccio marino, che gli assomiglia. E come il resto del cervello, è fatto di neuroni.

Il cervello umano contiene circa 100 miliardi di neuroni. I neuroni comunicano tra di loro inviando piccoli impulsi o picchi di elettricità tramite le loro connessioni. L'ippocampo è formato da due strati di cellule, che sono densamente interconnesse. Gli scienziati hanno cominciato a capire come funziona la memoria spaziale analizzando i singoli neuroni nelle cavie mentre cercano cibo o esplorano l'ambiente.

Immagineremo di seguire le fasi di un singolo neurone nell'ippocampo di una cavia. Quando invia un piccolo impulso elettrico, un puntino rosso si accende e lampeggia. Quello che notiamo è che questo neurone sa quando la cavia è andata in un punto particolare di quell'ambiente. E lo segnala al resto del cervello inviando un piccolo impulso elettrico. Possiamo quindi mostrare la cadenza di invio di quel neurone come funzione della localizzazione dell'animale. E se consideriamo tanti neuroni diversi, vediamo che diversi neuroni si attivano quando l'animale va in punti diversi dell'ambiente, come nel riquadro che vedete qui. Insieme formano una mappa per il resto del cervello, dicendo continuamente al cervello: "Dove sono ora in questo ambiente?"

Le cellule di posizione sono registrate anche negli umani. Talvolta i pazienti epilettici hanno bisogno di un controllo dell'attività elettrica del cervello. Alcuni di quei pazienti hanno giocato a un videogioco dove devono guidare in una piccola città. Le cellule di posizione del loro ippocampo si attivano, cominciano ad inviare impulsi elettrici ogni volta che guidano in un particolare punto di quella città.

Allora, una cellula di posizione come sa dove sono la cavia o la persona nel loro ambiente? Queste due cellule mostrano che i confini dell'ambiente sono particolarmente importanti. A quella in alto piace attivarsi a metà strada tra i due muri della scatola in cui si trova la cavia. Quando allargate la scatola, il luogo di attivazione si espande. A quella in basso piace attivarsi ogni volta che un muro si avvicina a sud. E se mettete un altro muro nella scatola, la cellula si attiva in entrambi i punti ogni volta che c'è un muro a sud mentre l'animale esplora la scatola. Questo fa prevedere che rilevare le distanze e la direzione dei confini intorno a noi -- edifici circostanti e così via -- è particolarmente importante per l'ippocampo. Ed effettivamente, sulla base delle indicazioni all'ippocampo, si trovano cellule che proiettano dentro l'ippocampo, che rispondono esattamente al rilevamento di confini e bordi a particolari distanze e direzioni dalla cavia mentre questa esplora l'area.

Quindi la cellula sulla sinistra, vedete, si attiva ogni volta che l'animale si avvicina a un muro o a un confine a est. che sia il bordo di un muro di una scatola quadrata o un muro circolare di una scatola circolare o anche il bordo di un tavolo, che l'animale percorre. E la cellula qui sulla destra si attiva ogni volta che c'è un confine a sud, che sia lo spigolo del tavolo o un muro o anche uno spazio tra due tavoli che vengono allontanati. Ecco quindi un modo in cui pensiamo che le cellule determinino dov'è l'animale mentre esplora i dintorni.

Possiamo anche testare dove pensiamo siano gli oggetti, come questa bandierina, in ambienti semplici -- o naturalmente, dove si trova la vostra auto. Possiamo fare in modo che le persone esplorino l'ambiente e vedano il punto che devono ricordare. E poi, una volta rimesse nell'ambiente, generalmente sono abbastanza brave a identificare dove pensavano che fossero la bandierina o l'auto. Ma in alcuni esperimenti, si poteva cambiare la forma e la dimensione dell'ambiente come abbiamo fatto con le cellule di posizione.

In quel caso, vediamo come cambi il punto in cui pensavano che fosse la bandierina in funzione di come si cambiano la forma e la dimensione dell'ambiente. E quello che vedete, per esempio, se la bandierina era dove c'era la croce in una piccola area quadrata, e chiedete alle persone dov'era, dopo avere ingrandito l'area, il punto in cui pensavano che fosse la bandierina si allarga esattamente nello stesso modo in cui si sono allargate le cellule di posizione. È come se ricordaste dov'era la bandierina immagazzinando il percorso di attivazione di tutte le cellule di posizione in quella posizione, per poi tornare indietro a quella posizione muovendovi così da far coincidere l'attuale percorso di attivazione delle cellule di posizione con quel percorso memorizzato. E questo vi riporta a quel punto che volete ricordare.

Sappiamo anche dove siamo attraverso il movimento. Se imbocchiamo un percorso in uscita -- per esempio parcheggiamo e ci allontaniamo -- sappiamo grazie ai nostri movimenti, che possiamo integrare in questo percorso, pressapoco qual è la direzione giusta per tornare indietro. E le cellule di posizione prendono questi dati integrativi del percorso da un tipo di cellula detta cellula grid.

Le cellule grid, ancora una volta, si trovano tra le informazioni dell'ippocampo, e sono un po' come le cellule di posizione. Ma ora, mentre la cavia esplora i dintorni, ogni singola cellula si attiva in tutta una serie di punti diversi sparsi in tutto l'ambiente in una meravigliosa griglia triangolare regolare. Se raccogliete informazioni da diverse cellule grid -- che vedete qui in diversi colori -- ognuna ha uno schema di attivazione a griglia in tutto l'ambiente, e ogni schema di attivazione delle cellule grid si sposta leggermente relazionandosi con le altre cellule. Quindi quella rossa su questa griglia e la verde su questa e la blu su questa.

Tutte insieme: è come se la cavia potesse fare una griglia virtuale di luoghi di attivazione attraverso l'ambiente -- un po' come la latitudine e la longitudine di una mappa, ma utilizzando dei triangoli. E mentre si muove, l'attività elettrica può passare da una cellula a quella successiva per prendere nota di dove si trova, per poter usare i propri movimenti per sapere dov'è nell'ambiente.

Le persone hanno le cellule grid? Siccome questi schemi di attivazione a griglia hanno lo stesso asse di simmetria, lo stesso orientamento della griglia, mostrato qui in arancione, significa che l'attività di rete di tutte le cellule grid in una particolare zona del cervello dovrebbe cambiare a seconda che scorriamo lungo queste sei direzioni o scorriamo tra l'una e l'altra di queste sei direzioni. Possiamo fare una risonanza magnetica e far giocare le persone a un piccolo videogioco come quello che vi ho mostrato e cercare questo segnale. E naturalmente, si vede nella corteccia entorinale umana, che è la stessa parte del cervello in cui si trovano le cellule grid delle cavie.

Bene, torniamo a Homer. Probabilmente ricorda dov'era la macchina in termini di distanza e direzioni fino agli edifici e ai confini circostanti intorno al punto in cui ha parcheggiato. E questo viene rappresentato dall'attivazione di cellule per l'identificazione dei confini. Si ricorda anche il percorso che ha fatto nell'allontanarsi dalla macchina, rappresentato dall'attivazione delle cellule grid. Entrambi questi tipi di cellule fanno attivare le cellule di posizione. Egli può ritornare al posto dove ha parcheggiato muovendosi in modo da trovare dove l'attuale schema di attivazione delle cellule di posizione coincide maggiormente con lo schema memorizzato quando ha parcheggiato. E tutto questo lo guida verso quel punto a prescindere da riferimenti visivi o dal fatto che la sua auto sia effettivamente là. Magari gliel'hanno rimossa. Ma sa dov'era, quindi sa dove andare a riprenderla.

Quindi oltre alla memoria spaziale, se osserviamo questo schema di attivazione a griglia in tutto il cervello, lo vediamo in tanti diversi punti che sono sempre attivi mentre facciamo qualunque tipo di attività di memorizzazione autobiografica come ricordare l'ultima volta che siamo stati a un matrimonio, per esempio. Potrebbe essere che i meccanismi neurali per la rappresentazione dello spazio circostante vengano anche usati per generare rappresentazioni visive tanto da poter ricreare scenari spaziali degli eventi che ci sono capitati quando li vogliamo immaginare.

Quindi se succede questo, i vostri ricordi cominciano con l'attivazione delle cellule di posizione attraverso le dense interconnessioni e poi con la riattivazione delle cellule di confine per creare una struttura spaziale della scena intorno al vostro punto di vista. E le cellule grid possono spostare questo punto di vista nello spazio. Un altro tipo di cellule, le cellule di orientamento, che ancora non ho menzionato, si attivano come una bussola a seconda della direzione verso cui siete orientati. Riescono a definire la direzione della vista da cui volete generare un'immagine per le vostre immagini visive, potete immaginare, per esempio, cos'è successo quand'eravate al matrimonio.

Questo è solo un esempio di una nuova era della neuroscienza cognitiva dove cominciamo a capire i processi psicologici come il ricordare o immaginare o perfino pensare alle azioni dei miliardi di singoli neuroni che formano il vostro cervello.

Grazie infinite.

(Applausi)