Neil Burgess: Hur din hjärna talar om för dig var du befinner dig

När vi parkerar på en stor parkering, hur kommer vi då ihåg var vi ställde bilen? Här står Homer inför det problemet. Och vi ska försöka förstå vad som händer i hans hjärna.

Vi börjar med Hippocampus, färgat gult, vilket är hjärnans minnescentra. Om du har en skada här, som vid Alzheimer, så kan du inte komma ihåg någonting, inklusive var du ställde bilen. Det är namngivit efter "sjöhäst" på Latin, som det ser ut som. Liksom övriga hjärnan så består det av nervceller.

Den mänskliga hjärnan innehåller alltså ungefär hundra miljarder neuroner. Och nervcellerna kommunicerar med varandra genom att skicka små impulser eller toppar av elektricitet via kopplingar till varandra. Hippocampus består av två lager med celler som är tätt sammakopplade. Forskare har börjat förstå hur rumsligt minne fungerar genom registrering från enstaka neuroner hos råttor eller möss medan de söker av eller utforskar en miljö i letan efter mat.

Så vi kommer att föreställa oss att vi registrerar signaler från en enstaka nervcell i Hippocampus hos råttan här. Och när den skjuter iväg en liten elektrisk pik, så kommer det att bli en röd punkt och ett klick. Så det vi ser nu är att den här nervcellen vet när än råttan har kommit till ett speciellt ställe i dess miljö. Och den signalerar till resten av hjärnan genom att skicka ut en liten elektrisk pik. Så vi skulle kunna visa avfyrningsfrekvensen av den nervcellen som en funktion av var djuret befinner sig. Och om vi registrerar många olika neuroner, så kommer vi se att olika neuroner utlöses när djuret kommer in i olika delar av dess miljö, som i den här kvadratiska lådan här. Så tillsammans formar de en karta för resten av hjärnan, som kontinuerligt talar om för hjärnan "Var i min miljö är jag nu?"

Platsceller registreras också hos människor. Epilepsipatienter behöver ibland den elektriska aktiviteten i deras hjärnövervakning. Några av de här patienterna spelade ett TV-spel där de körde omkring i en liten stad. Platsceller i deras Hippocampus avfyrades, aktiverades, började skicka elektriska impulser närhelst som de körde genom en speciell plats i den staden.

Så hur vet en platscell var råttan eller personen är inom dess miljö? Jo dessa två celler här visar oss att gränserna i miljön är speciellt viktiga. Så den på ovansidan gillar att aktiveras liksom halvvägs mellan väggarna på lådan som dess råtta befinner sig i. Och när man expanderar boxen, så expanderas också platsen för aktivering. Den nedre gillar att aktiveras närhelst det finns en vägg nära i sydlig riktning. Och om man placerar en annan vägg inuti lådan, så aktiveras cellen på båda platserna varhelst som det finns en vägg i sydligt riktning när djuret utforskar dess låda. Det här talar alltså för att känna avstånd och riktning till gränser omkring dig - byggnader och så vidare - är särkilt viktigt för Hippocampus. Och faktiskt, vid Hippocampus ingångar, har man hittat celler som projicerar in i Hippocampus, vilka reagerar precist för att känna av gränser eller kanter på specifika avstånd eller i speciella riktningar från musen eller råttan medan den söker omkring.

Så cellen till vänster, som du kan se, den löser ut närhelst djuret kommer nära en vägg eller en gräns österut, vare sig det är kanten eller väggen på en kvadtratisk låda eller cirkulära väggen på den cirkulära lådan eller till och med stupet vid kanten på ett bord vilket djuren springer omkring på. Och cellen här till höger aktiveras närhelst det finns en gräns söderut, vare sig det är stupet vid kanten på ett bord eller en vägg eller till och med glipan mellan två isärdragna bord. Det är alltså ett sätt på vilket vi tror platsceller tar reda på var djuret är medan det utforskar.

Vi kan också pröva var vi tror att objekt är, som den här målflaggan, i enkla miljöer - eller självklart också var din bil skulle vara. Så vi kan låta människor utforska en miljö och se den plats som de måste komma ihåg. Och sen, om vi sätter tillbaka dem i samma miljö, så är de för det mesta rätt bra på att markera var de trodde att flaggan eller bilen var. Men i vissa test, ändrade vi på miljöns storlek och form som vi gjorde med platscellen.

I det fallet kan vi se hur var de trodde att flaggan skulle vara ändras som en funktion av hur man ändrar miljöns form eller storlek. Och det man ser, till exempel, om flaggan var där krysset var i en liten kvadratisk miljö och om du då frågar folk var den var, men att du gjort miljön större, var de tror att flaggan befunnit sig sträcker sig på exakt samma sätt som platscellens aktivering sträckt ut sig. Det är som om man kommer ihåg var flaggan var genom att lagra aktiveringsmönstret hos platscellerna på den platsen, och sedan att man kan komma tillbaka till samma plats genom att förflytta sig runt så att man matchar dåvarande mönstret hos platscellerna optimalt mot det lagrade mönstret. Det guidar dig tillbaka till platsen som du vill komma ihåg.

Men vi vet också var vi är under det att vi rör oss. Så om vi tar en utgående väg - kanske vi parkerar bilen och går därifrån - så vet vi på grund av våra rörelser, som vi kan integrera i den här vägen ungefär vilken riktning vi har att gå tillbaka. Platsceller får också den här typen av vägintegrerings-input från en cell som kallas rutnätscell.

Rutnätssceller kan man finna, som tidigare celler, på ingångarna till Hippocampus, och de fungerar ungefär som platsceller. Men nu när råttan utforskar, så aktiveras varje en cell på en en större mängd platser som är spridda över miljön i ett enastående regelbundet, triangelformat rutnät. och om man registrerar flera rutnätsceller - här visat i olika färger - har varje en ett rutnätsliknande aktiveringsmönster över hela miljön, och varje cells rutnätsliknande aktiveringsmönster förskjuts en aning i förhållande till de andra cellerna. Så den röda aktiveras på det här rutnätet och den gröna på det här och den blå på det här.

Så sammaslaget är det som om råttan kan sätta ett virtuellt rutnät av aktiveringsplatser över dess miljö - litegrann som latitud- och longtitudlinjerna som finns på kartor, men med trekanter istället. Och under det att den förflyttar sig runt, så kan den elektriska aktiviteten passera från en cell till en annan för att hålla koll på var den är, så att den kan använda sina rörelser för att veta var den är i dess miljö.

Har människor rutnätsceller? Jo, på grund av att alla rutnätsliknande aktiveringsmönster har samma axlar i symmetrin, samma axelorientering, här visat i orange, så betyder det att nettoaktiviteten hos alla rutnätsceller i viss del av hjärnan borde ändras utefter att vi rör oss längs de där sex riktningarna eller rör oss längs en av de sex riktningarna emellan. Så vi kan placera människor i en magnetröntgen och låta dem spela lite TV-spel ungefär som det jag visade er och sedan titta efter den här signalen. Och man hittar det i det mänskliga entorinala kortex vilket är samma del av hjärnan som du ser rutnätsceller hos råttor i.

Tillbaka till Homer. Han kommer förmodligen ihåg var hans bil var i termer av distans och riktning till övriga byggnader och gränser runt platsen som han parkerade på. Det skulle då vara kartlagt genom aktiveringen hos gränsavkännande celler. Han kommer också ihåg vägen han tog ut från parkeringen, som då kartläggs genom aktivering av rutnätsceller. Båda de typerna av celler kan få platscellerna att aktiveras. Han kan alltså då återvända till platsen som han parkerade på genom att förflytta sig så att aktiveringsmönstret hos cellerna på platsen då bäst matchar aktiveringsmönstret som han lagrat för där han parkerade bilen. Och det guidar honom tillbaka till bilen utan hänsyn till visuella referenser som huruvida bilen egentligen står där. Kanske har den bogserats bort. Men han vet var den var så han vet var han ska hämta den.

Undantaget spatialt minne, om vi tittar efter det här rutnätsliknande aktiveringsmönstret över hela hjärnan, så ser vi det på en hel rad platser som alltid är aktiva när vi gör alla möjliga typer av "självbiografiska" minnesuppgifter så som att komma ihåg när man senast var på bröllop, till exempel. Så det kan vara så att de neurologiska mekanismerna för kartläggning av utrymmet omkring oss också används för att generera visuella bilder så att vi kan återskapa rummet, åtminstone för de händelser som har hänt när vi vill föreställa oss dem.

Så om det här skulle hända, så skulle dina minnen börja i och med att platsceller aktiverar varandra via de här täta sammankopplingarna och sen återaktivera gränsceller för att bygga upp den spatiala strukturen av miljön omkring din utgångspunkt. Rutnätsceller kan då flytta den här utgångspunkten genom det utrymmet. En annan typ av cell, huvudriktningsceller, som jag inte har nämnt ännu, de avfyras, i likhet med en kompass, i enlighet med den riktning du står. De kan då definiera betraktningsvinkeln från vilken du vill skapa en visuell bild, så att du kan föreställa dig vad som hände när du var på det där bröllopet, till exempel.

Så det här är bara ett exempel på en verkligen ny era inom kognitiv neurologiforskning där vi nu börjar förstå psykologiska processer som hur du minns eller föreställer dig eller ens tänker i termer av mekanismen hos de miljarder enskilda neuroner som utgör hjärnan.

Tack så mycket.

(Applåder)