大脑对于计量时间有着不凡能力:我们的大脑是如何感知时间的?

大脑细胞在感知空间位置的同时也在计量节拍。也就是说我们的想法是处在时空画布中的4D图。

我们的大脑对于计量时间有着不凡的能力。司机可以判断各个交通信号灯的时间,舞者可以将一个节拍精确到毫秒。但究竟大脑如何追踪时间仍旧是一个谜。研究人员已经确定参与运动,记忆,色觉等功能的大脑区域,但还没有发现哪个部分用来感知时间的。

大脑对于计量时间有着不凡的能力:我们的大脑是如何感知时间的?

的确,我们的神经计时器已经证明了它难以捉摸,大多数科学家认为这一机制分布在整个大脑中,不同区域根据需求使用各自的感官来跟踪时间。

在过去的几年里,只有少数几位研究人员从神经信号中编译出一些证据,它们表明,负责感知空间信号的大脑细胞,同时也在记录着时间的流逝。这说明大脑的记忆区块和定位区块——海马(hippocampus)和内嗅皮质(the entorhinal cortex),也是一种计时器。(注意:此处仅指海马区中的“海马”)

去年11月发表的研究,波士顿大学(Boston University)的神经科学家霍华德·埃辛鲍姆(Howard Eichenbaum)和他的同事们发现,小鼠大脑内置的GPS导航系统由细胞构成,这种细胞被称为网格细胞,它们比科学家预想的更具可塑性。

通常,这些细胞就像航位推算系统,当动物处在特定位置时,特定的神经细胞就会被激发。(发现这个特征的科学家们分享了2014年的诺贝尔奖)埃辛鲍姆发现,当动物保持在同一位置,比如当它在跑步机上奔跑,细胞会同时记录位置和时间。这项工作表明,大脑对空间和时间的感觉交织在一起。

(*2014年诺贝尔生理医学奖得主约翰·欧基夫(John O’Keefe)、麦布里特·莫瑟(May-Britt Moser)以及爱德华·莫瑟(EdvardI. Moser))

这一发现有助于深化我们对大脑的记忆和导航系统工作模式的认识。也许网格细胞和其它类似GPS的细胞不只反映空间,而且能够编码其他相关物理量,诸如时间、气味甚至味道。 “它可能昭示了海马更广阔的作用,”研究记忆和海马的加州大学旧金山分校的神经学家罗兰·弗兰克(Loren Frank)指出, “海马中相关的轴用作对当前情景进行编码,然后使用特定的细胞来映射这些情景。 ”

这些映射按顺序构建一个记忆架构,为我们无穷无尽的过往回忆提供了一个有组织的系统。 “海马是时空回忆的工程师,”埃辛鲍姆说,“它提供了一个框架,我们将各个事件堆砌在这个框架上。 ”

神经时钟

小鼠在轮中跑步,以15秒为采样时间记录神经细胞信号。每一行代表一个单独的神经元活动(红色表示激发态)。

时间的颜色

为了研究海马如何监控时间,科学家训练小鼠在轮子里或微小的跑步机上奔跑。这种设定保证它的位置和行为不变,从而使研究人员能够专注于时域神经信号。(小鼠太烦躁呆不住,因此跑步有助于规范它难以预料的行为。)在它大脑中植入的电极将记录不同神经细胞的激发时间。

在埃辛鲍姆的实验中,小鼠在跑步机上跑一段时间,比如15秒,然后获得一个奖励。当它进行周期性的重复,它的大脑将学会标记15秒的时间间隔。一些神经元会在第一秒激发,另一些在第二秒,如此反复,直到15秒结束。

“各个细胞会在不同时刻激发,直到将整个时间间隔充满,” 埃辛鲍姆说。这代码是如此精确,研究人员甚至可以直接通过观察细胞的状态来判断小鼠在实验台上跑了多久。埃辛鲍姆的团队反复进行实验,并改变跑步机的速度,以确保细胞没有简单地标记距离。(一些细胞记录距离,但有些似乎只记录时间。)

虽然这些被称为“时间细胞”的神经元显然能够标记时间,但它们是如何做到的,这一点仍不清楚。这些细胞的行为更像是一个秒表——每次启动时钟时,神经活动按相同的模式重复。但它们表现出了比秒表更强的适应性。当研究人员改变实验条件,例如通过将时间间隔从15秒延长至30秒,海马中的细胞将创建一个新的激发模式以覆盖新的时间间隔。这就像对一个秒表在不同的时间尺度下进行编程。

此外,时间细胞的工作取决于情景,它们只在时间作为当下首要事件的情况下标记时间。当其他变量发挥更大作用时,细胞将做出不同表现。比如让小鼠去探索一个新的环境,这些“时间”细胞则会将自己映射到空间,特定的细胞将在一个特定的位置激发,而不是在特定时间这样做。

霍华德·埃辛鲍姆,波士顿大学神经学家,正在探索记录空间的大脑分区如何监控时间。

霍华德·埃辛鲍姆,波士顿大学神经学家,正在探索记录空间的大脑分区如何监控时间。

大脑的时空矩阵

埃辛鲍姆的工作和近15年神经科学的研究趋势相吻合,它表明海马比科学家预想的更灵活。传统意义上,研究人员认为它是一个地图绘制员(位置编码细胞早在40年前已被发现),但是越来越多的证据表明,它可以如此编码其他类型的信息。根据最新发现,位置细胞不仅可以映射空间信息,还有其他变量。时间只是其中之一。例如, “一个品酒师可以建构酒气和酒香的纬度。 ”弗兰克说。

但许多科学家仍然认为海马更主要的作用是建构空间。按照他们的说法,神经回路只用来记录位置,而其他一切都只是搭载在位置信息之上。 “海马揭示了一个秘密,自然界的本质是空间。” 加州大学欧文分校的神经学家布鲁斯·麦克诺顿(Bruce McNaughton)说。

埃辛鲍姆的研究结果挑战了这个观点,但并不能完全证伪它。 “可以肯定的是,位置细胞可以传递超越位置的信息,”约翰·霍普金斯大学的神经学家大卫·福斯特(David Foster)说。“但是,不太清楚的是,它们是否能仅仅对时间的流逝编码。”

在跑步机计时实验中,小鼠似乎在做计数的工作。但这些细胞标记的是时间本身的流逝,抑或是它们在标记其他看起来像时间的东西? “我们知道奔跑实验让细胞在特定的点上激发,但我不认为所谓特定点位指的是时间。”霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Insitute)的神经学家伊娃·帕斯塔科娃(Eva Pastalkova)说。“这不够精确,它们不像是滴答作响的时钟。 ”

纽约大学的神经科学研究所的神经学家捷尔吉·布兹萨奇(György Buzsáki),在实验室做了一些探索海马如何追踪时间的实验,提出这些细胞不是监视时间本身,而是正在做别的事情——记忆通过一个迷宫或者指引小鼠的下一步行动的路径。记忆和未来计划揭示了时间,所以时间细胞可能只是反映了这种心理活动。

“这是我的头号问题:大脑中是否有神经元专门记录时间,别的什么也不做?” 布兹萨奇说。 “还是说所有神经元都有工作顺序,这种内在的顺序让实验人员误以为它们在计时?”

布兹萨奇指出,甚至可能将海马细胞作为独立编码空间或时间的单元都是一种没有意义的思考。人类的大脑往往交互考虑时间和空间。 “如果你问别人,从纽约到洛杉矶有多远,你得到的答案将各不相同: 3000英里,六小时的飞行,诸如此类,” 他说。 “用更古老的语言来说,距离一般是通过时间确定——从一个山谷到另一个山谷需要两天。因为当时没有距离概念,只有对日出日落次数的计量”。

对布兹萨奇来说,这个问题从神经科学延伸至物理学。物理学家认为时空作为一个凝聚态的四维实体,宇宙中的物体和事件都交织在其中。“神经科学终将回溯到物理学的古老问题:是否存在离散的时间细胞和地点细胞?或者大脑中只存在单一的一种时间-空间的连续表达?“布兹萨奇说。

记忆蓝图

埃辛鲍姆没那么关注这些抽象的问题。他的目标是将时间在记忆形成过程中扮演的角色分离出来。“当你试图回忆你今天早上做了什么,以及这些事件的顺序时,”他说。“到底海马是如何在时间轴上组织回忆的? ”

海马损伤的人们往往不能产生新的记忆。有一名著名的病人,他接受了脑叶切除术去除大部分海马。每天他都一遍又一遍地把自己介绍给他的医生。这些患者也很难记住单词或事物的顺序。“海马到底如何支持人们记忆一系列事件的时间顺序呢?”埃辛鲍姆说。

埃辛鲍姆猜想时间细胞能把事件按顺序布置在一个时间表上。如果记忆是一部电影,时间单元的作用就是将各帧画面按顺序排列。他的团队正在设计实验,给穿插起来的不同事件加上时间延迟,看看时间细胞如何修改自己的代码以便记录事件发生的顺序。

“我不认为海马是一个时钟,”他说。 “但至少它使用了一个时钟来描绘出事情发生的经过,并且在记忆中保存了它们的顺序。 ”

【来源:Quantamagazine   翻译:火机   DeepTech深科技编辑整理】

氧分子网(www.yangfenzi.com)是关注互联网生态圈的科技新媒体

·氧分子网(http://www.yangfenzi.com)延伸阅读:

电极刺激大脑 会让你“回到过去”
用大脑控制假肢 Segway之父再次将幻想变为现实
小心!一心多用会让你变成脑残
大脑:科学与灵性的战场
人类无需在机器面前自卑,一个大脑足以装下整个互联网
美国防部计划为士兵装配大脑“黑匣子”
谷歌眼镜发明者:我们的设备能替代你的大脑
大脑的格式化工具 —— 关于“不作死就不会死”
“我来组成大脑”:科技巨头都怎么布局无人驾驶?

分享给您的好友:

您可能还喜欢…

  1. 时间不过是个特定的概念,根据有规律的节点记录累积是大脑运作的本质。从本质上想二十四小时or十二小时or1440分or86400秒…..不过是标注性的,运作重要的是找出节点、规律、重复、累积……调用、归档……

  2. 时间没有办法感觉吧,也没有形容词是形容感受时间,即不是冷热,也不是甜咸,更不是鲜艳、悦耳、芬芳和柔软,人只能感受到1997和2016这种代表时间的数字语言,及其背后所关联的事件。