TED日本語 - ニール・バージェス: 脳があなたのいる場所を認知するしくみ


TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - ニール・バージェス: 脳があなたのいる場所を認知するしくみ

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How your brain tells you where you are


Neil Burgess






When we park in a big parking lot, how do we remember where we parked our car? Here's the problem facing Homer. And we're going to try to understand what's happening in his brain.

So we'll start with the hippocampus, shown in yellow, which is the organ of memory. If you have damage there, like in Alzheimer's, you can't remember things including where you parked your car. It's named after Latin for "seahorse," which it resembles. And like the rest of the brain, it's made of neurons.

So the human brain has about a hundred billion neurons in it. And the neurons communicate with each other by sending little pulses or spikes of electricity via connections to each other. The hippocampus is formed of two sheets of cells, which are very densely interconnected. And scientists have begun to understand how spatial memory works by recording from individual neurons in rats or mice while they forage or explore an environment looking for food.

So we're going to imagine we're recording from a single neuron in the hippocampus of this rat here. And when it fires a little spike of electricity, there's going to be a red dot and a click. So what we see is that this neuron knows whenever the rat has gone into one particular place in its environment. And it signals to the rest of the brain by sending a little electrical spike. So we could show the firing rate of that neuron as a function of the animal's location. And if we record from lots of different neurons, we'll see that different neurons fire when the animal goes in different parts of its environment, like in this square box shown here. So together they form a map for the rest of the brain, telling the brain continually, "Where am I now within my environment?"

Place cells are also being recorded in humans. So epilepsy patients sometimes need the electrical activity in their brain monitoring. And some of these patients played a video game where they drive around a small town. And place cells in their hippocampi would fire, become active, start sending electrical impulses whenever they drove through a particular location in that town.

So how does a place cell know where the rat or person is within its environment? Well these two cells here show us that the boundaries of the environment are particularly important. So the one on the top likes to fire sort of midway between the walls of the box that their rat's in. And when you expand the box, the firing location expands. The one below likes to fire whenever there's a wall close by to the south. And if you put another wall inside the box, then the cell fires in both place wherever there's a wall to the south as the animal explores around in its box. So this predicts that sensing the distances and directions of boundaries around you -- extended buildings and so on -- is particularly important for the hippocampus. And indeed, on the inputs to the hippocampus, cells are found which project into the hippocampus, which do respond exactly to detecting boundaries or edges at particular distances and directions from the rat or mouse as it's exploring around.

So the cell on the left, you can see, it fires whenever the animal gets near to a wall or a boundary to the east, whether it's the edge or the wall of a square box or the circular wall of the circular box or even the drop at the edge of a table, which the animals are running around. And the cell on the right there fires whenever there's a boundary to the south, whether it's the drop at the edge of the table or a wall or even the gap between two tables that are pulled apart. So that's one way in which we think place cells determine where the animal is as it's exploring around.

We can also test where we think objects are, like this goal flag, in simple environments -- or indeed, where your car would be. So we can have people explore an environment and see the location they have to remember. And then, if we put them back in the environment, generally they're quite good at putting a marker down where they thought that flag or their car was. But on some trials, we could change the shape and size of the environment like we did with the place cell.

In that case, we can see how where they think the flag had been changes as a function of how you change the shape and size of the environment. And what you see, for example, if the flag was where that cross was in a small square environment, and then if you ask people where it was, but you've made the environment bigger, where they think the flag had been stretches out in exactly the same way that the place cell firing stretched out. It's as if you remember where the flag was by storing the pattern of firing across all of your place cells at that location, and then you can get back to that location by moving around so that you best match the current pattern of firing of your place cells with that stored pattern. That guides you back to the location that you want to remember.

But we also know where we are through movement. So if we take some outbound path -- perhaps we park and we wander off -- we know because our own movements, which we can integrate over this path roughly what the heading direction is to go back. And place cells also get this kind of path integration input from a kind of cell called a grid cell.

Now grid cells are found, again, on the inputs to the hippocampus, and they're a bit like place cells. But now as the rat explores around, each individual cell fires in a whole array of different locations which are laid out across the environment in an amazingly regular triangular grid. And if you record from several grid cells -- shown here in different colors -- each one has a grid-like firing pattern across the environment, and each cell's grid-like firing pattern is shifted slightly relative to the other cells. So the red one fires on this grid and the green one on this one and the blue on on this one.

So together, it's as if the rat can put a virtual grid of firing locations across its environment -- a bit like the latitude and longitude lines that you'd find on a map, but using triangles. And as it moves around, the electrical activity can pass from one of these cells to the next cell to keep track of where it is, so that it can use its own movements to know where it is in its environment.

Do people have grid cells? Well because all of the grid-like firing patterns have the same axes of symmetry, the same orientations of grid, shown in orange here, it means that the net activity of all of the grid cells in a particular part of the brain should change according to whether we're running along these six directions or running along one of the six directions in between. So we can put people in an MRI scanner and have them do a little video game like the one I showed you and look for this signal. And indeed, you do see it in the human entorhinal cortex, which is the same part of the brain that you see grid cells in rats.

So back to Homer. He's probably remembering where his car was in terms of the distances and directions to extended buildings and boundaries around the location where he parked. And that would be represented by the firing of boundary-detecting cells. He's also remembering the path he took out of the car park, which would be represented in the firing of grid cells. Now both of these kinds of cells can make the place cells fire. And he can return to the location where he parked by moving so as to find where it is that best matches the firing pattern of the place cells in his brain currently with the stored pattern where he parked his car. And that guides him back to that location irrespective of visual cues like whether his car's actually there. Maybe it's been towed. But he knows where it was, so he knows to go and get it.

So beyond spatial memory, if we look for this grid-like firing pattern throughout the whole brain, we see it in a whole series of locations which are always active when we do all kinds of autobiographical memory tasks, like remembering the last time you went to a wedding, for example. So it may be that the neural mechanisms for representing the space around us are also used for generating visual imagery so that we can recreate the spatial scene, at least, of the events that have happened to us when we want to imagine them.

So if this was happening, your memories could start by place cells activating each other via these dense interconnections and then reactivating boundary cells to create the spatial structure of the scene around your viewpoint. And grid cells could move this viewpoint through that space. Another kind of cell, head direction cells, which I didn't mention yet, they fire like a compass according to which way you're facing. They could define the viewing direction from which you want to generate an image for your visual imagery, so you can imagine what happened when you were at this wedding, for example.

So this is just one example of a new era really in cognitive neuroscience where we're beginning to understand psychological processes like how you remember or imagine or even think in terms of the actions of the billions of individual neurons that make up our brains.

Thank you very much.


やたらに広い駐車場で 車を停めた場所をどうやって覚えますか? ホーマーさんに考えてもらいましょう そして彼の脳で行われていることを 理解してみましょう

まず 黄色で示した「海馬」 ここは記憶を司る器官です アルツハイマー病などで傷つくと 駐車した場所が覚えられなくなります なお 語源は形が似ている 「タツノオトシゴ」のラテン名です 海馬は神経細胞でできています

人間の脳には 千億もの神経細胞があり それらの連絡は 微弱な電気パルスやスパイク信号を 送り合うことで行われています 海馬には二つの細胞層があり それらは密につながっています 近年 マウスやラットが 飼育ケージでえさを探している間の 神経細胞の活動を計測することで 「空間の認知」に関する 記憶の仕組みが 解明されつつあります

いま仮に ラットの海馬にある 1個の神経細胞を計測中とします 細胞が信号を発すると 赤く光ると共にジジジと音がします ご覧の通り この細胞はラットが 特定の場所に行ったときだけ活動します そして脳の他の部分に 信号を送るのです 図にすると この細胞がどの位置を 担当しているかがわかります こうして多くの細胞を計測していくと ラットが移動した場所ごとに 別々の細胞が働いていることが わかりました こうして神経細胞は地図を作って 脳全体に 「いま自分がどこにいるか」を 知らせ続けているのです

この「場所細胞」は人間にも見つかっています てんかんの患者が 定期的に脳の検査をするとき 小さな街をドライブするゲームを したことがありました 街の特定の場所をドライブすると 海馬の「場所細胞」が活性化し 電気信号を送り始めるのです

ではどのように場所細胞は 環境の中の位置を知るのでしょうか この2つの細胞は 環境における「境界」が 重要な事を示しています 上の細胞は ラットが箱の壁の中央に いる時に興奮するようです 箱が大きくなれば 範囲も広くなります 下の細胞は南側の壁に近い時に 興奮するようです ですから箱の中に新しく壁を作ると 動物が箱の中を歩きまわったとき 壁が南側にあるときに限って その細胞が興奮するのです このことは あなたの周りの建物などの 距離や方向を感じ取ることが 海馬にとって非常に重要なことを示します 実際に 海馬につながる細胞のなかで ラットやマウスが歩きまわる際に 境界や縁への 距離や方向を感知して 海馬に 正確に伝える細胞が 発見されています

左側の細胞は 実験動物が東側の境界や壁に 近づいた時に反応します それが四角い箱であっても 丸い箱の曲がった壁であったとしても テーブルの縁であったとしてもです そして右側の細胞は 南側の境界があるときに反応します それが壁やテーブルの縁であっても 離れたテーブルの隙間だったとしてもです これこそが「場所細胞」が 自分の位置を知る一つの手段と考えられます

目的物の場所の予想テストもしました 単純な場所の どこに旗があるか? 要は駐車場の車の位置みたいなものです まず 実験する場所を探索してもらい 覚えるべき位置を見てもらいます 少し後に もういちど同じ場所に戻ると 大体の人は 旗や車がどこにあったか 正確に示すことができます では こんどの実験では 部屋の形や大きさを 最初に見たものと変えてしまいます

この場合でも 私たちは 環境の形や大きさの変化に応じて 目的物の位置を予想することができるのです いいですか 例えば 小さな四角形の矢印部分に旗があるとします そして 誰かに旗がどこにあるのか尋ねます ここで 四角形をもっと大きくすると 彼らの考える旗の位置が 場所細胞の活性化領域が拡がるのと 同様に拡大するのです つまり どこに旗があるかの記憶は 場所細胞の活性化パターンの蓄積により 行われているようです だから 少し後にその場所に戻っても 場所細胞が同じように活性化する位置を 動きまわって探すことで 覚えようと思った場所に 戻ってくることができるのです

一方 動くことで位置を知ることもできます 道を間違えたとき 駐車して そのへんを歩きまわりますよね? 私たちは 動き回れば もとに戻るためにどの方向へ向かえば良いか ざっくり統合できると知っています 場所細胞は このような進路統合信号を 「グリッド(格子)細胞」から得ています

グリッド細胞とは 海馬につながった細胞で 場所細胞と似た性質があります しかし ラットがあちこち動き回っているときの あるグリッド細胞の働きを調べてみると 別々の場所で規則正しく活性化し 驚くほど綺麗な三角形の格子を 作ることがわかります いくつかのグリッド細胞を記録してみると ここに 異なる色で示していますが それぞれの細胞が持つ 格子状の活性化パターンは 少しずつ ずれていることがわかります 赤の細胞は このような格子で 緑はこう 青はこのように活性化しています。

まとめると ラットは 空間上に 仮想のグリッド(格子)を 置いているようです 要は 地図にある経線や緯線のようなものです 三角形ですけどね ラットがあちこち動き回るとき ある細胞からある細胞へと 活性が受け継がれていくことで 現在位置が把握されます だから 自分の動きを利用して 今どこにいるかを知ることができるのです

人間もそうなのか? まず 全ての格子状のパターンには 対称の軸があり オレンジで示したような方向性があります つまり 私たちが 6つの方向のどれかに向かっている場合と そうでない場合で 脳の特定の場所にあるグリッド細胞の活動は 変わるはずです そこで何人かにMRIスキャナーに入ってもらい 先ほどお見せしたような ゲームをやってもらって この信号を探しました すると 脳の「嗅内皮質」の中に見つかりました ラットのグリッド細胞がある部分と 同じ場所です

では再びホーマーさん 彼は どこに車を停めたかを まわりの建物や壁からの 距離や方角という情報から 覚えているのでしょう それは「境界」を検知する細胞に よって示されます また 彼は駐車場から出る道を覚えていますが それはグリッド細胞によって示されます これらの二つの細胞は 場所細胞を活性化させます そして彼は戻ってくるときに 場所細胞が記録したパターンに 最も合う場所に移動することで 車を停めた場所に 戻ってくることができるのです そしてホーマーさんは 車という視覚的刺激の無い場所に 導かれてしまいました きっと車は 牽引されてしまったのでしょう 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

さて 空間的な記憶だけでなく 脳全体にわたって格子状の活性化パターンを 探してみると たとえば最後に行った結婚式を思い出すような 「自伝的記憶」に関する 作業を行うすべての場所で 格子状の活性パターンが見られました つまり 空間を認知するための仕組みは 視覚的なイメージを 生み出すためも使われているのかもしれません だから私たちは 過去の出来事を思い出すとき その場面を思い浮かべることができるのです

もしこれが本当なら あなたの記憶は この密な相互作用によって 場所細胞が互いに活性化させあい そして 境界細胞が活性化し あなたの視点の周りの空間を構築することで 始まっているのかもしれません そしてグリッド細胞は 視点を変えてくれます まだ言及していない「頭部方向細胞」は どの方向に顔を向けているかによって コンパスのように活性化します それらはあなたが創造したい 視覚的イメージに合わせて視野角を決めます こうして 結婚式場で起きたことを思い出せるのです

以上のことは 脳を構成する 無数の神経細胞の活動から 私たちが どのように記憶し 想像し 考えるかなどを理解する 新たな時代の 認知神経科学の 一例にしか過ぎません



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