Новые догадки о том, как мозг отмечает время

Те клетки головного мозга, которые следят за местоположением в пространстве, также отсчитывают течение времени. Новое исследование указывает на то, что наши мысли возникают на умственном пространственно-временном холсте.

Наш мозг обладает поразительной способностью следить за временем. Водитель может рассчитать, сколько осталось времени до желтого света на светофоре, а танцор способен отсчитывать такт до миллисекунды. Но как именно мозг следит за временем — это по-прежнему загадка. Ученые определили те участки головного мозга, которые связаны с движением, памятью, цветным зрением и прочими функциями, но они не знают, что в мозгу следит за временем. В действительности наш хронометр оказался таким неуловимым, что большинство ученых предполагает следующее: этот механизм распределен по всему головному мозгу, и у разных его участков есть разные средства слежения за временем в соответствии с потребностями. За последние годы группа ученых накопила немало данных о том, что те клетки, которые отслеживают местоположение человека в пространстве, также отсчитывают ход времени. Это показывает, что два участка головного мозга — гиппокамп и энторинальная область коры, известные тем, что они играют немалую роль в памяти и ориентировании, могут также выполнять функции своеобразного таймера. В опубликованном в ноябре докладе по результатам этого исследования нейрофизиолог из Бостонского университета Говард Эйхенбаум (Howard Eichenbaum) и его коллеги показали, что клетки головного мозга крыс, формирующие внутреннюю систему определения местоположения и носящие название нейроны решетки, более податливы для воздействия, чем считалось ранее. Обычно эти клетки работают как некая система навигации методом счисления пути, и некоторые нейроны активизируются тогда, когда животное попадает в определенное место. (Сделавшие это открытие ученые стали в 2014 году лауреатами Нобелевской премии.) Эйхенбаум обнаружил, что когда животное находится на одном месте, скажем, когда оно бегает на тренажере, эти клетки отсчитывают расстояние и время. Это говорит о том, что чувства пространства и времени в головном мозге взаимосвязаны. Данное открытие поможет расширить наши представления о том, как в головном мозге работают системы памяти и навигации. Наверное, клетки решетки и другие клетки, отвечающие за определение местоположения, настроены не только на пространство, а могут также кодировать любые релевантные свойства: время, запах и даже вкус. «Видимо, это говорит о том, что гиппокамп выполняет более обширные функции, — отметил нейробиолог из Калифорнийского университета Сан-Франциско Лорен Франк (Loren Frank), исследующий память и гиппокамп. — Он составляет соответствующую ось для кодировки ощущений, а затем при помощи этих клеток фиксирует данные ощущения на карте». Эти карты, в свою очередь, создают механизм памяти, формируя систему для организации бесконечной последовательности прошлых чувств и ощущений. «Гиппокамп это великолепный организатор воспоминаний в пространстве и времени, — сказал Франк. — Он обеспечивает пространственно-временные рамки, на которые накладываются другие события».

Плитки времени

Чтобы понять, как гиппокамп отслеживает время, ученые учат крыс бегать в колесе или по крошечной беговой дорожке. В таких условиях местоположение животных и их поведение постоянны, а поэтому исследователи могут сосредоточиться на привязанных ко времени нейронных сигналах. (Крысы не могут сидеть спокойно, а поэтому бег помогает стандартизировать их обычно переменчивое поведение.) Имплантированные глубоко в мозг электроды фиксируют, когда активизируются те или иные клетки. В опытах Эйхенбаума крыса бежит по дорожке строго ограниченное время — скажем, 15 секунд, после чего получает награду. Когда животное повторяет этот цикл снова и снова, его мозг начинает определять этот 15-секундный интервал. Некоторые нейроны активизируются на первой секунде, другие на второй и так далее, пока не истекут все 15 секунд. «Клетки активизируются в разные моменты времени, пока не заполнят весь временной интервал», — объяснил Эйхенбаум. Код настолько точен, что ученые могут определить, сколько времени животное находится на дорожке, просто наблюдая за тем, какие клетки у него активны. Коллектив Эйхенбаума повторял этот эксперимент, варьируя скорость дорожки, чтобы клетки не просто отмечали расстояние. (Некоторые клетки действительно следят за дистанцией, а некоторые, как кажется, связаны только со временем.) Хотя эти нейроны, получившие название «клетки времени», определенно могут отмечать время, до сих пор до конца неясно, как они это делают. Клетки ведут себя подобно секундомеру — одна и та же последовательность нейронной активности повторяется всякий раз, когда включаются часы. Но клетки времени приспосабливаются лучше, чем секундомер. Когда исследователи меняют условия эксперимента, например, увеличивая продолжительность бега с 15 до 30 секунд, клетки гиппокампа создают новую схему активизации в соответствии с новым интервалом. Это как программирование секундомера по другой временной шкале. Более того, клетки времени полагаются на окружающие условия, отмечая время лишь тогда, когда животное находится в ситуации, где время важнее всего. Когда в игру вступают другие переменные, те же самые клетки ведут себя иначе. Например, дайте крысе возможность исследовать новую окружающую среду, и эти же самые клетки привяжут себя к пространству. Определенная клетка будет активизироваться всякий раз, когда животное находится в определенном месте, но не в определенное время.

Пространственно-временная матрица мозга

Работа Эйхенбаума удачно совпала с 15-летней тенденцией в нейробиологических исследованиях, говорящей о том, что гиппокамп адаптируется лучше, чем считалось ранее. Ученые издавна видели в нем своеобразного картографа (клетки кодировки места были открыты 40 лет назад), но сейчас появляется все больше данных, указывающих на способность гиппокампа кодировать и другие типы информации. Согласно новейшим представлениям, клетки места могут фиксировать не только пространство, но и прочие нужные переменные. Одна из них это время, но могут быть и другие. Например, «у дегустатора может иметься некое пространство для вкусов и запахов вин», сказал Эйхенбаум. Однако многие ученые по-прежнему видят в гиппоккампе главным образом пространственную структуру. Согласно их доводам, нейронная сеть эволюционировала, чтобы следить за местонахождением, а все прочее просто записывалось поверх этой информации. «Гиппокамп дает код, который в своей основе является пространственным», — сказал нейробиолог Брюс Макнотон (Bruce McNaughton), работающий в Калифорнийском университете Ирвайна. Эйхенбаум со своими выводами оспаривает эту точку зрения, но не хоронит ее. «Сейчас совершенно ясно, что клетки места могут представлять информацию не только о месте, — отметил нейрофизиолог Дэвид Фостер (David Foster) из Университета Джонса Хопкинса. — Но менее понятно то, могут ли они кодировать течение времени». В экспериментах с бегущей дорожкой крысы, похоже, делают нечто очень похожее на счет. Но отмечают ли эти клетки сам ход времени, или же они реагируют на нечто иное, что просто напоминает время? «Мы не знаем определяющий принцип, заставляющий клетку активизироваться в конкретный момент, но я не думаю, что это время, — сказала Ева Пасталкова (Eva Pastalkova), работающая нейробиологом в исследовательском центре при медицинском институте имени Говарда Хьюза в Эшберне, штат Виргиния. — Это недостаточно точно, и это не похоже на тикающие часы». Георгий Бужаки (György Buzsáki) работает нейрофизиологом в институте нейробиологии Нью-Йоркского университета. Его лаборатория провела один из первых экспериментов по изучению того, как гиппокамп следит за временем. Он считает, что данные клетки следят не за самим временем, а делают нечто другое — запоминают путь в лабиринте или планируют следующий шаг подопытного животного. Память и планы на будущее разворачиваются во времени, а поэтому не исключено, что клетки времени просто отражают такую умственную деятельность. «Для меня это проблема номер один: есть ли в мозгу специальные нервные клетки, которые занимаются только тем, что следят за течением времени?— сказал Бужаки. — А может, у всех нейронов есть функции, осуществляемые в определенной последовательности, и для экспериментатора они превращаются во время?» Бужаки отмечает, что возможно, даже бессмысленно думать, будто клетки гиппокампа независимо кодируют пространство и время. Человеческий мозг часто представляет себе пространство и время как равнозначные вещи. «На вопрос о том, как далеко Нью-Йорк находится от Лос-Анджелеса, вы можете получить разные ответы: 4 800 километров или шесть часов лета, — говорит он. — В более старых языках расстояние обычно давалось во времени — сколько дней уходит на то, чтобы добраться от одной долины до другой. Дело в том, что в то время было легче сосчитать количество закатов, чем расстояние». По мнению Бужаки, этот вопрос выходит за рамки нейробиологии и имеет отношение к физике. Физики считают пространство-время некоей связанной четырехмерной данностью, тканью, в которую вплетены предметы и события во вселенной. «Нейробиология должна вернуться к старой задачке по физике: существуют ли клетки места и времени? Или есть лишь единый пространственно-временно континуум, как представление в мозгу?» — говорит Бужаки.

Карты памяти

Эйхенбаума эти абстрактные вопросы волнуют в меньшей степени. Его цель — понять ту роль, которую время играет в формировании памяти. «Думая, что вы делали утром, вы вспоминаете события в той последовательности, в какой они происходили, — объясняет он. — Как гиппокамп организует воспоминания во времени?» Люди с повреждениями гиппокамма часто не могут сформировать новые воспоминания. Знаменитый пациент Х. М., которому сделали лоботомию и удалили эту часть мозга, каждый день представлялся врачу заново. Однако этим пациентам также трудно вспомнить последовательность слов или событий, предложенных в ходе эксперимента. «Каким образом гиппокамп поддерживает способность запоминать последовательность событий во времени?» — спрашивает Эйхенбаум. Он полагает, что клетки времени создают некую временную шкалу, на которой выстраивается последовательность событий, представляя ощущения. Если мы вспоминаем кино, говорит ученый, клетки времени приводят в порядок отдельные кадры. Коллектив Эйхенбаума планирует провести эксперименты, в которых задержки во времени будут чередоваться с различными событиями, позволяя понять, как клетки времени меняют свой код, чтобы запомнить последовательность событий. «Не думаю, что гиппокамп это часы, — говорит он. — Но он использует часы, чтобы зафиксировать в памяти, когда произошли те или иные события. Тем самым, он поддерживает в ней порядок».