Neil Burgess: Cum îți spune creierul unde te afli

Când parcăm într-o parcare mare, cum ne amintim unde am parcat mașina? Iată problema lui Homer. Vom încerca să înţelegem ce se întâmplă în creierul lui.

Începem cu hipocampusul, indicat în galben, care e organul memoriei. Dacă hipocampusul e deteriorat, ca în Alzheimer, nu-ţi poţi aminti de exemplu unde ai parcat mașina. E numit după latinescul "căluţ de mare", cu care seamănă. La fel ca restul creierului, e alcătuit din neuroni.

Creierul uman are cam 100 miliarde neuroni. Neuronii comunică între ei trimiţând ușoare impulsuri electrice prin conexiuni unul altuia. Hipocampusul e format din două straturi de celule, dens interconectate. Cercetătorii au început să înțeleagă cum funcționează memoria spațială analizând neuronii individuali la șobolani sau șoareci în timp ce sapă sau explorează mediul căutând hrană.

Ne vom imagina că înregistrăm semnalele unui singur neuron din hipocampusul acestui șobolan de aici. Când emite un impuls electric, va apărea un punct roșu și un click. Vedem că neuronul știe când șobolanul s-a dus într-un anume loc din împrejmuire. Și semnalează restului creierului printr-un impuls electric. Putem exprima rata de emitere a acelui neuron ca o funcţie dependentă de locația animalului. Iar dacă înregistrăm mulți alți neuroni, vedem că diferiți neuroni emit când animalul merge în alte părți din mediul său, precum această cutie pătrată. Împreună alcătuiesc o hartă pentru restul creierului, informându-l continuu "Unde sunt acum?"

Celule de localizare sunt examinate și la oameni. Pacienţii cu epilepsie au uneori nevoie să le fie monitorizată activitatea electrică. Câțiva pacienți epileptici au jucat un joc video în care conduceau printr-un mic oraş. Celulele lor spațiale din hipocampus se activau, trimiteau impulsuri electrice când conduceau printr-o anumită zonă din acel oraș.

Cum știe o celulă spațială unde se află șobolanul sau omul în spațiu? Aceste două celule de aici ne arată că limitele mediului sunt foarte importante. Cea de sus trimite impulsuri la jumătatea distanței dintre pereții cutiei în care e șobolanul. Când mărești cutia zona de impulsionare se extinde. Cea de jos se activează când e un perete în apropiere la sud. Dacă pui alt perete în cutie, celula se activează în ambele locuri dacă e un perete la sud în timp ce animalul explorează spațiul în cutie. Asta arată că evaluarea distanțelor și direcțiilor granițelor din jur -- clădiri, ș.a.m.d. -- sunt foarte importante pentru hipocampus. Într-adevăr, la intrările în hipocampus găsim celule care fac o hartă în hipocampus care răspund exact la detectarea limitelor sau marginilor la anumite distanțe sau direcții de la șoarece când explorează mediul.

Celula din stânga, cum vedeți, se activează când animalul se apropie de un perete sau o graniță la est, fie că e marginea sau peretele unei cutii pătrate sau peretele circular al unei cutii rotunde sau chiar muchia mesei împrejurul căreia aleargă animalele. Celula din dreapta se activează când apare o limită la sud, fie că e muchia mesei sau un perete sau chiar spațiul dintre două mese despărțite. Acesta e un mod în care credem că celulele spațiale determină unde e animalul.

Putem testa și locația pe care credem că o au obiecte precum acest steag, în medii simple -- sau unde s-ar afla mașina. Punem oamenii să exploreze un mediu și să vadă locația pe care trebuie să și-o amintească. Apoi, dacă îi aducem iar în mediu, se descurcă destul de bine să marcheze locul unde cred că s-a aflat steagul sau mașina. Dar în unele teste, am schimbat forma și mărimea mediului, așa cum am făcut cu celulele de locație.

În acest caz, vedem că percepția poziției steagului se schimbă în funcție de cum modifici forma și mărimea mediului. Vedeți, de exemplu, dacă steagul era unde e acea cruce într-un mic pătrat, dacă îi întrebi pe subiecți, după ce ai mărit mediul, unde cred ei că a fost steagul se întinde în acelaşi mod în care s-au extins impulsurile celulei spațiale. E ca și cum ți-ai aminti unde a fost steagul memorând tiparul de impulsuri trimise de celulele de locație în acel loc și apoi te poți întoarce în acel loc, deplasându-te, astfel încât să potrivești tiparul actual de trimitere a impulsurilor cu tiparul stocat. Astfel ești ghidat spre locul pe care vrei să ți-l amintești.

Dar știm unde ne aflăm și prin intermediul mișcării. Dacă luăm o locație îndepărtată -- parcăm și ne depărtăm -- știm datorită mișcărilor noastre pe care le integrăm de-a lungul acestui drum cam care e direcția pentru a ne întoarce. Şi celulele spațiale primesc acest tip de input de integrare, formează un fel de celulă numită celulă-reţea.

Celulele reţea se află la intrarea în hipocampus, şi seamană oarecum cu celulele de localizare. Dar pe măsură ce şobolanul explorează împrejurimile, fiecare celulă individuală se activează într-o gamă întreagă de locaţii diferite dispuse în acest mediu într-o reţea triunghiulară incredibil de regulată. Şi dacă înregistrezi câteva celule din reţea -- indicate aici prin culori diferite -- fiecare are un tipar de activare ca o reţea în spațiu şi fiecare tipar de reţea al fiecărei celule e deplasat uşor relativ la celelalte celule. Cea roşie e activată în această reţea, cea verde în asta, cea albastră în asta.

Aşa că împreună, e ca şi cum şobolanul poate alcătui o reţea viruală a locaţiilor de activare de-a lungul mediului său -- asemănătoare cu liniile de latitudine şi longitudine pe o hartă, dar utilizând triunghiuri. Şi cum se deplasează de jur împrejur activitatea electrică se transmite de la o celulă la următoarea celulă pentru a ține evidența unde este, folosindu-și propriile mişcări pentru a şti unde se află în propriul mediu.

Au oamenii celule de reţea? Ei bine, pentru că toate aceste tipare de activare au aceleaşi axe de simetrie, aceeiaşi orientare a reţelei, indicată cu potocaliu aici, înseamnă că rezultanta activității tuturor celulelor de rețea dintr-o anume parte a creierului ar trebui să se schimbe dacă alergăm de-a lungul celor şase direcţii sau de-a lungul unei direcţii intermediare. Putem pune oamenii într-un scanner RMN unde joacă un video-game ca cel pe care vi l-am arătat şi căutăm acest semnal. Şi într-adevăr, îl vedeţi în cortexul entorinal uman, în aceiaşi parte a creierului unde vedeţi celule de reţea la cobai.

Înapoi la Homer. Probabil îşi aminteşte unde-i era maşina în funcție de distanţele şi direcţiile relativ la clădirile şi împrejmuirile din jurul locului unde a parcat. Şi asta ar fi reprezentat de activarea celulelor de detectare a limitelor. Îşi aminteşte și drumul parcurs la ieşirea din parcare, reprezentat prin activarea celulelor de reţea. Ambele tipuri de celule pot activa celulele de localizare. Şi el se poate întoarce la locul unde a parcat mişcându-se astfel încât să găsească unde se potrivește cel mai bine cu tiparul activat al celulelor de localizare din creierul său, cu tiparul stocat al locului unde şi-a parcat maşina. Şi asta îl ghidează înapoi la locaţie independent de reperele vizuale, respectiv dacă maşina e efectiv acolo. Poate a fost ridicată. Dar ştie unde era, ştie unde să mergă s-o ia.

Dincolo de memoria spaţială, căutând acest model de activare tip reţea în tot creierul, îl vedem într-o serie de locaţii care sunt mereu active când îndeplinim diverse sarcini autobiografice de memorie, cum ar fi când a fost ultima dată când am fost la o nuntă, de exemplu. Poate că mecanismele neuronale pentru reprezentarea spaţiului din jurul nostru sunt de asemena folosite pentru generarea de imagini vizuale pentru a recrea scena spaţială cel puţin, a evenimentelor care ni s-au întâmplat, când dorim să ni le imaginăm.

Deci dacă asta s-a întâmplat, amintirile ar putea începe prin activarea reciprocă a celulelor spațiale prin intermediul acestor interconectări dense, apoi reactivând celulele-barieră pentru a crea stuctura spaţială a scenei din jur. Celulele-reţea ar putea muta acest punct prin spaţiu. Alt tip de celulă, celulele de direcţie, pe care nu le-am menţionat încă, se activează ca un compas în funcţie de direcţia spre care te uiți. Ar putea defini direcţia vizualizată dinspre care vrei să generezi o imagine pentru reprezentarea vizuală, ca să-ți poți imagina ce s-a întâmplat cănd ai fost la acea nuntă, de exemplu.

Acesta e doar un exemplu al unei noi ere în neuroştiinţa cognitivă în care începem să înţelegem procesele psihologice cum sunt modul în care vă amintiţi, vă imaginaţi sau chiar gândiţi în funcție de acţiunile a bilioane de neuroni individuali care formează creierul.

Vă mulţumesc mult.

(Aplauze)