Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Чувство времени и мозг

Кирилл Стасевич

Чувство времени есть у всех. Конечно, без часов или смартфона мы не скажем в точности, который час. Но нас не затруднит ответить, давно ли мы говорили по телефону, долго ли мы едем в машине или как скоро прибудем на место встречи. Мы хорошо представляем, что такое «давно», «недавно», «скоро», «долго». И в этом смысле мало отличаемся от других животных.

Для разных задач, связанных со временем, мозг задействует разный набор нервных центров. Слева показаны зоны коры, которые активируются, если кто-нибудь попросит человека оценить промежуток времени; кроме корковых центров тут будут задействованы мозжечок и подкорковые базальные ганглии. Справа показаны зоны, которые активируются, когда мозг сам для себя оценивает промежуток времени. Они отчасти совпадают с теми, которые активируются, когда время оценивается по чьей-то просьбе. Но подкорковые центры и некоторые зоны коры при этом замолкают, одновременно в коре активируются дополнительные участки. Рисунок из статьи: F. Piras et al. Time dysperception perspective for acquired brain injury. Frontiers in Neurology, 2014, CC BY 3.0.
Когда мозг оказывается в новой ситуации, клетки временнóго контекста в боковой энторинальной коре дружно активируются, а потом начинают постепенно замолкать. Каждое изменение в системе нейронов энторинальной коры соответствует определённому временнóму промежутку. Цифры на рисунке обозначают разные этапы того, как нейроны времени гиппокампа запоминают изменения в клетках временнóго контекста энторинальной коры: каждый следующий нейрон времени гиппокампа получает информацию о текущей конфигурации нейронов временнóго контекста. Так гиппокамп запоминает последовательность и продолжительность событий, которые произошли в одном и том же контексте. Иллюстрация: IKUMI KAYAMA, STUDIO KAYAMA/the-scientist.com.

Способность оценивать длительность промежутков времени обнаружена у золотых рыбок, голубей, собак, диких свиней, крыс, муравьёв. В эксперименте с золотыми рыбками их учили определять временной интервал между двумя стимулами: вспышкой света и слабым электрическим ударом. Рыбы понимали, что электрошок происходит не сразу, а спустя какое-то время. И беспокоиться они начинали тоже не сразу после светового сигнала, а только тогда, когда, по их ощущениям, приближалось время неприятностей.

Для животных чувство времени жизненно важно. Например, мышь выбежала из норы поискать еду. Чем дольше она будет этим заниматься, тем больше вероятность, что её увидит какой-нибудь хищник, а быстро найти что-то съедобное получается не всегда. Поэтому мышь должна определить оптимальное время, которое она готова потратить на поиски пищи. Чувство времени необходимо и в самых простых действиях, хотя бы для того, чтобы рассчитать мускульные усилия и движения, чтобы мышцы напрягались и расслаблялись в нужный момент, а не как придётся.

Субъективные часы

Возникает вопрос: если есть чувство времени, то должны быть и внутренние часы? Как они работают? Можно ли их сравнить с обычными часами, которые носят на руке, или с часами в смартфоне? «Внешние» часы отсчитывают объективное время, их секунды равны одна другой, а если они начнут опаздывать или спешить, то это означает, что часы идут неправильно. В случае с внутренними часами, увы, приходится признать, что их время вообще редко совпадает с объективным. Наверно, нет на свете человека, которому ни разу не приходила в голову мысль, что время ползёт очень медленно или, наоборот, бежит слишком быстро. В состоянии страха или тревоги кажется, что время растягивается. В хорошем настроении время пролетает быстро. Если приходится чего-то ждать и при этом нет возможности ничем заняться, то какие-то пятнадцать минут ожидания по объективным часам могут превратиться в субъективный час.

На восприятие времени влияет наше физическое состояние, от повседневных физиологических изменений до тяжёлых заболеваний. Например, исследователи из Университета Тарту описали в статье в «International Journal of Psychophysiology», как на восприятие времени влияет температура окружающей среды. Испытуемым, которым было жарко, предлагали отсчитать три секунды и щёлкнуть мышкой. Они щёлкали ею в среднем через 2,6 секунды. То есть им казалось, что времени прошло уже много, хотя его прошло мало. Если же человек привыкал к жаре и она уже не казалась утомительной, субъективные часы приходили в соответствие с объективными. Восприятие времени изменяется при болезни Паркинсона, при синдроме дефицита внимания и гиперактивности. В общем, сложно найти что-то, что не влияло бы на чувство времени. Отсюда следует, что нашими внутренними часами управляет не какой-то независимый механизм, — нет, ощущение времени происходит из повседневного опыта. А опыт бывает разный.

На самом деле, у нас есть внутренние часы, которые работают независимо от нашего сознания. Это суточные, или циркадные, ритмы. Они регулируют суточную активность множества генов, биохимических реакций, физиологических процессов. Суточные часы есть в каждом органе и в каждой клетке; будучи отчасти самостоятельными, они всё же сверяются друг с другом. Их «пружина» — специальный белок и его ген, причём белок подавляет активность собственного гена. Днём белка становится всё больше и больше, так что свой ген он просто отключает. Ночью количество белка падает — его расщепляют другие белки, и в конце концов суточный ген просыпается. Это очень упрощённое описание; подробно механизм работы суточных часов изложен в статье «Триллионы беззвучных часов» в № 5 «Науки и жизни» за 2009 год и в статье «Молекулярные ритмы жизни» в № 11 за 2017 год. Стоит добавить, что наши собственные глаза постоянно корректируют молекулярный механизм: мы видим, ночь на улице или день, и мозг соответственно подкручивает «стрелки» биологических ритмов. И всё же эти часы не могут сообщить нам, сколько времени прошло между двумя событиями, долго ли мы сидим в очереди и как скоро нам ждать гостей. На биологические часы влияет образ жизни (например, когда человек не высыпается или ест не вовремя), но такое влияние сродни тому, как если ткнуть пальцем в пружину настоящих часов — их можно просто сломать.

По сути, циркадные ритмы — это те же механические или электронные часы, только внутри клетки. Они лишь показывают время, но не чувствуют его. Совсем другое дело — интерпретация времени, когда мы говорим, что его прошло мало или много.

Нейронные стрелки

Изучать чувство времени необычайно трудно. Хотя бы потому, что специального органа для него просто нет: для звуков есть уши, для света — глаза, для запахов — нос, а для времени — ничего. Или, лучше сказать, всё сразу, потому что — повторим ещё раз — ощущение времени зависит и от внешних событий, и от внутренних психических процессов. Но со временем связано буквально всё, чем занимается мозг. Никакого абстрактного времени для мозга нет, это всегда нечто, что имеет смысл в связи с конкретной задачей, и, в зависимости от временно'й задачи, в работу включаются разные нейронные центры. Одно дело, когда требуется ритмично кликать клавишей компьютерной мыши, и совсем другое, когда нужно оценивать длительность звуков речи.

Если спуститься на уровень ниже, от нервных центров к отдельным нейронным цепочкам, то не исключено, что удастся найти какой-нибудь более или менее общий механизм чувства времени. Правда, искать такой механизм приходится в экспериментах на животных — ведь тут нужно в прямом смысле лезть в мозг и следить за активностью отдельных нейронов. Один из таких экспериментов, описанный в статье 2015 года в «Current Biology», поставили на обезьянах. От них требовалось запомнить время между двумя вспышками света и потом, спустя такое же время, нажать на кнопку. Очевидно, что за временем тут должны были следить нейроны, которые одновременно располагают сенсорной информацией и управляют движениями. Когда исследователи начали наблюдать за такими нейронами, то оказалось, что их активность определённым образом меняется: количество импульсов, которые генерировал нейрон от первой вспышки света до второй, постепенно возрастало. Затем, пока обезьяна отсчитывала нужное время от второй вспышки до момента, когда ей следует нажать на кнопку, активность нейрона точно так же росла. Как только число импульсов, генерируемых в единицу времени, достигало определённого уровня, обезьяна совершала движение рукой.

Самое главное было в том, как именно возрастала нейронная активность. В общих чертах всё выглядело так: резкий подъём активности и последующее замедление её роста. Но промежутки времени в эксперименте были разные. И если между световыми вспышками проходило мало времени, то первоначальный рост нейронной активности был очень крутой; то же самое происходило, когда нужно было нажать на кнопку. Если же между вспышками света проходило много времени, то крутизна роста была более пологой, то есть нейрон медленнее разгонялся. С одной стороны, нейрон работал подобно часам, отмеряя время, с другой — эти «часы» растягивали или сжимали время, подлаживаясь под конкретную задачу.

Каждая нервная клетка работает не в пустоте, она соединена со множеством других нервных клеток. Импульсы, которые бегут по нейронным отросткам (дендритам и аксонам), обязательно дойдут до межнейронного контакта-синапса. Если импульс пройдёт через синапс, другая клетка тоже возбудится. Если импульс не пройдёт, значит, какие-то текущие настройки синапса или же характеристики самого сигнала сделали его слишком слабым. Так или иначе, чтобы получить более полное представление о том, чем занимаются нейроны, их нужно изучать в их нейронной цепочке или сети.

Ряд экспериментов описывают, как работают временны'е нейронные цепи. Например, сотрудники Центра Шампалимо (Португалия) учили лабораторных крыс нажимать на рычаг через определённые промежутки времени — если крысы нажимали на него именно тогда, когда нужно, не раньше и не позже, они получали награду. При этом нейроны полосатого тела (одного из мозговых центров, отвечающих за чувство времени) генерировали особую последовательность сигналов, покрывавшую весь временной промежуток, который нужно было отследить. Группа нервных клеток работала чем-то вроде секундомера, который «тикал» между нажатиями на рычаг. Нейроны включались не сразу все, а последовательно в течение всего временнóго промежутка. И если экспериментаторы увеличивали время, то «часовые» нейроны начинали включаться медленнее. Как пишут исследователи в своей статье в «Current Biology», когда крысе нужно было запомнить 12-секундный интервал, в нейронном секундомере появлялся нейрон, который активировался примерно на шестой секунде. Если же время увеличивали до 36 секунд, то тот же нейрон сохранял своё серединное положение — теперь он включался на восемнадцатой секунде. Это похоже на то, как вёл себя одиночный нейрон в эксперименте с обезьянами: в обоих случаях менялся темп изменения активности нервной клетки или системы нервных клеток.

Похожие результаты получились в экспериментах, в которых наблюдали за нейронами других зон мозга, в том числе и за нейронами гиппокампа. Гиппокамп называют одним из главных центров памяти. Среди прочего в нём хранятся карты местности: специальные нервные клетки запоминают окружающее пространство и активируются, когда индивидуум снова оказывается в знакомом месте. Выглядит вполне разумным, что гиппокамп помнит не только, где был человек, но и когда. И тут возникает следующий вопрос — а что изначально заставляет эти нейроны отслеживать время? В экспериментах животным предлагали награду за правильное чувство времени, но как «внешний» временной промежуток, отделяющий стимул от награды, превращался в последовательную активность «секундомерных» нейронов?

Карта времени

Рядом с гиппокампом есть зона, которая называется энторинальной корой. Она тоже играет большую роль в процессах запоминания. Несколько лет назад в одном из её участков, боковой энторинальной коре, обнаружили особые нейроны, которые назвали клетками временно'го контекста. В статье «How Time Is Encoded in Memories» на портале The Scientist говорится, что клетки временно'го контекста дружно активируются, когда мозг сталкивается с новым опытом — например, когда нужно изучить незнакомую местность. Активировавшись, эти нейроны потом постепенно замолкают, каждый в своём темпе. Получается, что определённым моментам времени, когда мозг изучает местность, соответствует определённая конфигурация клеток временно'го контекста. Информация о том, какие нейроны боковой энторинальной коры активны в данный момент, отправляется в гиппокамп, где её запоминают уже местные клетки. Так формируется временна'я карта местности.

Конечно, говоря, что клетки временно'го контекста просто по очереди прекращают активность, мы упрощаем картину. Есть клетки, которые с течением времени сначала становятся более активными, а потом их активность падает. Некоторые сохраняют активность и тогда, когда мозг всё исследовал на одной территории и ушёл в другое место, — такие клетки позволяют сшить две маленькие временны'е карты в одну большую, то есть они расширяют временной контекст, охватывая разные события.

На первый взгляд временны'е нейроны энторинальной коры очень похожи на настоящие часы. Но они показывают не внешнее время, а то, которое определяется личным опытом. И включаются эти «часы» каждый раз для нового случая из жизни. Нейроны гиппокампа записывают значение «стрелок», и теперь мозг может легко сообразить, в каком порядке происходили события и сколько времени прошло, к примеру, между моментом, когда обладатель мозга впервые обнаружил себя в незнакомой комнате, и моментом, когда он оказался в её дальнем углу.

Есть данные, что клетки временно'й памяти обмениваются информацией с клетками пространственной памяти, но как они это делают, ещё предстоит изучить. Если измеряющие время системы есть в разных мозговых центрах, то было бы интересно узнать, как они общаются между собой. И если время может течь то быстро, то медленно, разные временные шкалы должны как-то согласовываться на нейронном уровне. Конечно, с бытовой точки зрения такая субъективность кажется очень неудобной. Однако нейробиологи давно отказались от идеи, что где-то в мозге есть автономные нейронные часы, которые «тикают» вне зависимости от того, что с нами происходит. Во-первых, это невыгодно с точки зрения ресурсных затрат — такие «часы» погло-щали бы очень много энергии. Время нужно измерять тогда, когда нужно. Во-вторых, побольшей части время действительно имеет смысл только в контексте личного опыта. Да и зачем какие-то специальные «объективные» часы внутри организма, когда есть солнце на небе, ну, или часы на руке?

Кстати, субъективность времени лишний раз удалось показать в тех же опытах, в которых изучали клетки временно'го контекста в энторинальной коре. Когда крыс заставляли обследовать лабиринт в виде восьмёрки, временны'е нейроны становились малоактивными. Крысы в таком лабиринте раз за разом выполняли одни и те же действия, поворачивая то в одну сторону, то в другую, никакого разнообразия в обстановке не было, и нейроны временно'го контекста очень неохотно реагировали на перемещения животного. Они как будто засыпали от скуки — действительно, зачем отсчитывать время в таком монотонном занятии? Возможно, что и мы поэтому плохо помним рутинные события, но хорошо помним то, что вызвало сильные эмоции: без них отсчёт времени не работает, а без времени нет и памяти.

Другие статьи из рубрики «Биологические беседы»




Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее