Исследователи из норвежского Института Системной Нейронауки им. Кавли (Kavli Institute for Systems Neuroscience) обнаружили сеть из клеток мозга которые определяют наше чувство времени в переживаниях (опыте) и воспоминаниях.

«Эта сеть предоставляет временные отметки для событий и следит за порядком событий в пережитом опыте» — говорит профессор Эдвард Мозер (Edvard Moser), лауреат Нобелевской премии и директор Института Кавли, который расположен в Норвежском Университете Науки и Технологии (Norwegian University of Science and Technology, NTNU). Область мозга, которая чувствует время, расположена в непосредственной близости с областью, отвечающей за восприятие пространства.

Выражение времени

Часы — это устройства, созданные человечеством для измерения времени. Соглашаясь с негласным общественным договором, мы согласовываем свои собственные занятия с часовым временем. Однако, наш мозг не воспринимает длительность временных отрезков в стандартных единицах — минутах и часах, как на ваших наручных часах. Временные подписи в нашем пережитом опыте и воспоминаниях имеют совершенно другие временные характеристики.

В ходе эволюции живые организмы, включая людей, выработали несколько биологических часов, которые помогают нам следить за временем. Различия между разными хронометрами в мозгу заключаются не только в масштабах времени, которые они измеряют, но и в явлениях, на которые настроены нейронные часы. Некоторые хронометры управляются внешними процессами: например, циркадные ритмы настроены на восход и закат солнца. Эти часы помогают организму адаптироваться к дневному ритму.

Другие хронометры устанавливаются внутренними явлениями, вроде гиппокампальных клеток, которые создают цепной сигнал, наподобие эффекта домино, который довольно точно отмеряет отрезки времени длиной до 10 секунд. На сегодняшний день нам известна большая часть механизмов мозга, используемых для измерения времени в небольших масштабах (например, в секундах). И, напротив, мало что известно о временной шкале, которую мозг использует при записи наших пережитом опыте и воспоминаниях, которые могут длиться от нескольких секунд до минут и часов.

Нейронные часы для пережитого времени

Нейронные часы, которые отслеживают время по ходу переживаемого опыта — именно то, что было обнаружено, как считают Альберт Цао (Albert Tsao) и его коллеги из Института Кавли Системной Нейронауки при NTNU.

Путем записи деятельности популяции мозговых клеток исследователи идентифицировали глубоко внутри мозга устойчивый сигнал, кодирующий время.

«Наше исследование раскрывает то, как мозг придает смысл времени по мере того, как событие переживается» — говорит Цао, «Эта сеть не кодирует время в явном виде. То, что мы измеряем, скорее является субъективным ощущением времени, которое порождается течением переживаемых событий».

Нейронные часы заведуют организацией течения нашего опыта в упорядоченную последовательность событий. Эта деятельность порождает в мозгу часы для субъективного времени. Таким образом, опыт и последовательность событий в нем являются субстанцией, из которой мозгом порождается и измеряется субъективное время.

Временное пространство и память в мозге

«Сегодня у нас есть довольно хорошее понимание того, как наш мозг воспринимает пространство, тогда как наше знание о времени не такое полное» — говорит профессор Мозер.

«Пространство в мозге относительно легко исследовать. Оно состоит из специализированных типов клеток, которые выделены для конкретных функций. Вместе они образуют основу системы» — добавил он.

В 2005 году Мэй-Бритт (May-Britt) и Эдвард Мозер обнаружили нейронные решетки, которые наносят наше окружение в разных масштабах на карту, состоящую из шестиугольных блоков. В 2014 Мозер разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие клеток, которые образуют в мозге систему позиционирования, со своими коллегами и наставником Джоном О'Киф (John O'Keefe) из Университетского колледжа в Лондоне.

В 2007 году, вдохновленный открытием Мозера нейронных решеток, кодирующих пространство, Альберт Цао (на тот момент кандидат PhD в Институте Кавли) поставил перед собой задачу разгадать явления, происходящие в загадочной боковой энторинальной коре (lateral entorhinal cortex, LEC). Эта область мозга расположена около медиальной энторинальной коры (medial entorhinal cortex, MEC), где и были обнаружены нейронные решетки его руководителями — Мозером и прочими.

«Я надеялся обнаружить похожие ключевые действующие клетки, которые раскроют функциональную особенность этой нейронной сети» — говорит Цао. Эта задача вылилась в продолжительный проект.

«Казалось, что в деятельности этих клеток нет никакого шаблона. Сигнал все время менялся» — говорит профессор Мозер.

И только в последние пару лет исследователи начали предполагать, что сигнал в самом деле меняется с течением времени. Внезапно, записанные ранее данные обрели смысл.

Эта иллюстрация показывает эпизодичное время из пережитого 4-часового катания на лыжах с крутой горы, включая события, которые повлияли на восприятие времени лыжником. Идея заключается в том, что пережитое время зависит от событий и может воспринимается быстрее или медленнее, чем время на часах.

Недавно обнаруженная запись пережитого времени находится в боковой энторинальной коре (LEC), отмеченной зеленым цветом. Около LEC расположена MEC, область мозга, отвечающая за пространственное восприятие (не отмечена на иллюстрации). Рядом с MEC находится гиппокамп — структура, в которой информация из сетей времени и пространства объединяются для образования эпизодических воспоминаний.

Права на изображение с NeuroscienceNews.com принадлежат Kolbjørn Skarpnes & Rita Elmkvist Nilsen / NTNU Communication Division & Kavli Institute for Systems Neuroscience.

«Время является несбалансированным процессом. Оно всегда уникальное и изменчивое» — говорит профессор Мозер, «Если эта сеть в самом деле кодирует время, сигнал должен меняться со временем для того, чтобы опыт был записан как уникальное воспоминание».

Технологические достижения

Мозеру и компании достаточно было расшифровать сигнал только из одной нейронной решетки чтобы обнаружить, как пространство кодируется в медиальной энторинальной коре. Расшифровка времени в боковой энторинальной коре оказалась гораздо более сложной задачей. Только глядя на активность в сотнях клеток Цао и его коллеги смогли увидеть, что сигнал кодирует время.

«Активность в этих нейронных сетях так распределена, что сам механизм, вероятно, заключается в структуре соединений внутри этих сетей. Факт того, что он может принимать форму различных уникальных паттернов подразумевает высокую степень пластичности» — говорит профессор Мозер, «Я полагаю, распределенные сети и комбинации структур активности заслуживают отдельного внимания в будущем. В этой работе мы нашли область настолько тесно связанную со временем событий или опытов, что она может породить целую новую область исследований».

Форма времени

Структура времени на протяжении долгого времени является темой споров среди философов и физиков. Что же недавно открытый механизм мозга для эпизодичного времени может нам сказать о том, как мы воспринимаем время? Является ли наше восприятие времени линейным, как течение реки, или цикличным, как колесо или спираль? Данные исследований из Кавли говорят, что и то, и другое верно, и что сигнал в сети, кодирующей время, может принимать множество разных форм, в зависимости от переживаемого опыта.

В 2016 году, кандидат PhD Йорген Сугар (Jørgen Sugar) присоединился к проекту Кавли, чтобы провести новый набор экспериментов, который проверил бы гипотезу о том, что сеть LEC кодирует эпизодичное время. В одном эксперименте крысе был представлен широкий спектр опытов и вариантов действий. Она могла свободно бегать, исследовать и гоняться за кусочками шоколада, посещая серию открытых окружений.

«Уникальность временного сигнала в ходе этого эксперимента предполагает, что у крысы была очень хорошая запись времени и временной последовательности событий на протяжении двухчасового эксперимента» — говорит Сугар, «Нам удалось использовать сигнал из сети, кодирующей время, для точного отслеживания, когда произошло то или иное событие в ходе эксперимента».

Во втором эксперименте задача была более структурированной, с более узким спектром опытов и вариантов действий. Крыса была обучена гоняться за кусочками шоколада, поворачивая влево или вправо в 8-образном лабиринте.

«В этой деятельности мы увидели, что сигнал, кодирующий время, сменился с уникальных последовательностей во времени на повторяющийся и частично накладывающийся паттерн» — говорит Цао, «С другой стороны, временной сигнал стал более точным и предсказуемым в ходе повторяющихся задач. Данные предполагают, что крыса имела утонченное чувство времени во время каждого круга, но плохое ощущение времени от круга к кругу и от начала до конца эксперимента».

Профессор Мозер утверждает, что исследование показывает, что при смене деятельности, в которой вы задействованы, при смене содержимого вашего переживаемого опыта, вы на самом деле меняете сигналы времени в LEC, и, таким образом, то, как вы воспринимаете время.