Мозг – повелитель времени - Дин Буономано

ДИНАМИКА МОЗГА

Ученые проанализировали множество примеров простых и сложных картин активности нейронов, которые, возможно, отвечают за определение времени. Нейробиолог Джо Пейтон из Центра изучения неизвестного (фонд Шампалимо) в Лиссабоне натренировал крыс тыкаться носом в одну из двух «дверей» в зависимости от длительности временного интервала между звуками. Крысы слышали два звука, разделенные интервалом времени от 0,6 до 2,4 с. Если они тыкались носом в левую дверь после интервала короче 1,5 с и в правую дверь после интервала длиннее 1,5 с, они получали вознаграждение. Крысы довольно хорошо справлялись с заданием. Например, временны́е интервалы длительностью 1 и 2 с они распознавали с вероятностью около 90 %.

Пока крысы занимались этим важным делом, исследователи анализировали состояние нейронов полосатого тела их мозга — отдела головного мозга, задействованного в выполнении движений и в некоторых формах обучения. Многие нейроны этого отдела мозга возбуждались во время упражнения. Например, в эксперименте с интервалом времени длительностью 2,4 с некоторые нейроны возбуждались рано, другие позже, так что возникала своеобразная цепочка возбуждения A→B→C→D→E (эта схема сильно упрощает реальную ситуацию)¹⁴⁸. В экспериментах с интервалом времени вблизи пограничного значения 1,5 с крысы, как и ожидалось, совершали больше ошибок. Интересно, что по динамике поведения нейронов эти ошибки можно было предсказать. Например, когда цепочка активности развивалась «слишком быстро», крысы с большей вероятностью решали, что интервал был длинным, и наоборот.

В целом данные эксперименты показывают, что нейроны этой области мозга задействованы в определении времени, хотя, как чаще всего и бывает в нейробиологии, одно отдельно взятое исследование не может доказать, что какие-то конкретные нейроны ответственны за определение длительности интервала между звуками.

Аналогичный цепной характер активности нейронов наблюдается и в других отделах мозга. Например, нейроны гипоталамуса крысы возбуждаются в специфические моменты времени в процессе выполнения задачи, такой как бег в колесе или выжидание необходимого времени до выполнения механического действия с целью получения вознаграждения¹⁴⁹. Интересно, что в разных исследованиях были обнаружены разные цепи активации нейронов в зависимости от конкретных условий. Например, одни и те же нейроны могут возбуждаться в разное время в зависимости от обонятельного стимула, с которого начиналось выполнение задачи. Это означает, что данные нейроны не только отсчитывают абсолютное время, но, как и в примере с гирляндой Элис и Боба, отслеживают время и «запоминают» стимул, вызвавший их активацию.

При выполнении животными различных временны́х задач возникают и гораздо более сложные картины активации нейронов. При работе сложных популяционных часов разные нейроны могут возбуждаться в разные моменты и на разное время, а иногда могут возбуждаться повторно и еще раз через какие-то промежутки времени¹⁵⁰. Такие пространственно-временны́е картины активации нейронов воспроизводятся в повторных экспериментах, но на первый взгляд могут показаться случайными. В некоторых случаях кажется странным отсутствие понятного ритма или причины подобного поведения. Но в этом-то, возможно, и заключается все дело. Говоря о том, что ритм возбуждения нейронов «случайный», мы подразумеваем, что все нейроны могут возбуждаться и отключаться в тот или иной момент времени практически с равной вероятностью.

Но из теории информации известно, что кодовые системы, в которых все символы или элементы могут использоваться с одинаковой вероятностью, предлагают больше возможностей для хранения или передачи информации. Например, английский язык — не очень эффективный код, поскольку разные буквы используются с очень разной частотой. Печатая текст на английском языке, вы, вполне вероятно, используете клавишу «e» с частотой около 12,5 %, а клавишу «q» не чаще 0,1 %. Сложные и случайные на вид пространственно-временны́е картины возбуждения нейронов могут показаться «некрасивыми», но мозгу они, возможно, предлагают наиболее эффективный способ создания большого числа популяционных часов. Более того, возможно, что сложные режимы активации нейронов в одних областях мозга используются для запуска более простых цепных процессов в других областях.

Вполне вероятно, что даже в диапазоне от сотен миллисекунд до нескольких секунд мозг использует разные механизмы определения времени. У животных, решавших временны́е задачи, были выявлены и другие формы активности нейронов. Возможно, чаще всего встречается механизм активации нейронов, называемый повышением частоты разрядов: как в нижней части песочных часов постепенно увеличивается количество песка, так и количество разрядов («спайков») некоторых нейронов линейно увеличивается со временем. Такая картина обычно наблюдается в тех случаях, когда животных тренируют производить какое-то действие после определенного интервала времени. Но пока мы не знаем, сами ли эти нейроны отсчитывают время, или они считывают показания с других сетей нейронов, чтобы в нужный момент запустить ожидаемый ответ¹⁵¹.

ХАОС

До сих пор мы с вами принимали как должное одно важнейшее свойство любых часов — воспроизводимость показаний. Если пространственно-временна́я активность популяции нейронов используется для отсчета времени, она должна воспроизводиться из раза в раз в ответ на одну и ту же ситуацию или один и тот же стимул. В описанных выше экспериментальных исследованиях это условие соблюдалось: каждый раз, когда певчая птица исполняет свою песню, обнаруживается одна и та же нейронная траектория (хотя в каждом исследовании варьируется множество параметров). Однако загадка все еще остается загадкой: как именно мозгу удается вновь и вновь воспроизводить одну и ту же последовательность действий?