Мозг – повелитель времени - читать онлайн книгу. Автор: Дин Буономано cтр.№ 30

Пожалуй, это искушение слишком велико.

Самая популярная теория, объясняющая механизм отсчета времени мозгом в диапазоне от миллисекунд до секунд, называется моделью внутренних часов; впервые эта теория была выдвинута в начале 1960-х гг. ¹³⁵ Как следует из названия, данная модель предполагает, что часы мозга работают по тому же принципу, что и часы, сделанные человеком: нейроны или группы нейронов пульсируют с какой-то фиксированной частотой, а другая группа нейронов считает эти пульсации. Это кажется вполне реалистичным, тем более что многие нейроны действительно осциллируют — возбуждаются снова и снова через определенные интервалы времени. Вообще говоря, мозговые волны, дыхание, ходьба и сердцебиение — примеры ритмичных биологических процессов, основанных на биологических осцилляциях с периодом от десятков миллисекунд до нескольких секунд.

Но в часах, сделанных руками человека, кроме хорошего осциллятора есть еще механизм, способный подсчитывать осцилляции — шестеренки в механических часах или цифровые схемы в кварцевых часах. Здесь-то и кроется проблема: хотя нейроны могут быть прекрасными осцилляторами, в подсчетах они не сильны.

ОТСЧЕТ ВРЕМЕНИ В ДИАПАЗОНЕ НИЖЕ И ВЫШЕ ПЕРИОДА ОСЦИЛЛЯЦИЙ

Возможно, вы сейчас думаете: подождите-ка, мы уже видели, что циркадные ритмы основаны на действии биологического осциллятора, работающего по принципу саморегулирующейся транскрипционно-трансляционной петли обратной связи. Более того, как мы только что отметили, ритм дыхания, сердцебиения или ходьбы тоже основан на действии осцилляторов. Так что для отсчета времени организм действительно использует тот же принцип, что заложен в основу работы механических или кварцевых часов! Однако такая линия рассуждений справедлива лишь отчасти, поскольку существует одно важное различие между вышеуказанными физиологическими процессами и работой часов, изготовленных человеком. В приведенных выше примерах интервалы времени, измеряемые «биологическими часами», меньше или равны периоду осцилляций, тогда как для часов, изготовленных человеком, ситуация обратная: такие часы способны определять время только в диапазоне времени, превышающем период осцилляций. Биологические осцилляторы обычно хронометрируют события, длительность которых меньше периода колебаний, а часы, изготовленные руками человека, работают с отрезками времени, длительность которых превышает период колебаний.

Молекулярный механизм циркадного ритма, обсуждавшийся в главе 3, имеет период около 24 ч. Концентрация белков циркадного ритма, таких как Period, соответствует фазам этого 24- часового цикла (например, утро, день, ночь). Но циркадные часы наших супрахиазматических ядер не имеют ни малейшего представления о том, сколько дней прошло с того или иного момента времени! Каждый день показатели этих «часов» возвращаются к нулевому значению; представьте себе маятник, не связанный ни с каким часовым механизмом: глядя на него, нельзя установить, сколько колебаний он уже совершил.

Аналогичным образом осцилляции нейронов, обеспечивающие дыхание, позволяют дышать с более или менее регулярной частотой, скажем, 0,25 Гц (каждые 4 с). Для каждого цикла вдоха и выдоха необходимо совершить ряд хронометрированных движений. Поэтому можно сказать, что нервные центры, контролирующие дыхание, отсчитывают время в пределах 4 с, но после этого механизм вновь возвращается в исходное положение ¹³⁶. Сети нейронов, контролирующие дыхание, не имеют никакого представления о том, совершили ли они тысячу, миллион или миллион и один цикл дыхательных движений.

Сети нейронов интегрируют временную информацию (количество осцилляций), но не обладают точностью и памятью часов с маятником или цифровых сетей кварцевых или атомных часов. После тренировки человек может различить интервалы времени длительностью 100 и 105 мс. Но чтобы обнаружить эту разницу в 5 мс, осциллятор должен работать с частотой 200 Гц, а приемное устройство должно уметь отличать 20 осцилляций от 21, что весьма непросто, учитывая механизм действия нейронов. Вполне в соответствии с этими теоретическими рассуждениями у нас совсем немного экспериментальных данных, которые подтверждали бы справедливость модели внутренних часов.

Однако отсутствие экспериментальных данных в поддержку модели внутренних часов вовсе не означает, что осцилляции нервных клеток мозга не связаны с хронометрированием событий, длящихся дольше периода колебаний. Например, было выдвинуто предположение, что некоторые формы определения времени могут основываться на активности нейронов, осциллирующих с разной частотой. При таком сложном механизме осцилляций разные субпопуляции нейронов с какой-то периодичностью синхронизируются, но в остальное время действуют не в фазе. Расчеты показывают, что путем определения этих синхронных пульсаций модель нейронных осцилляций позволяет дискриминировать интервалы времени меньше периода колебаний любой группы осцилляторов ¹³⁷.

Как мы уже обсудили, отсчет времени в диапазоне от сотен миллисекунд до нескольких секунд играет для нас очень важную роль. Речь идет не только о чрезвычайно точном определении интервалов между событиями, но и об оценке контекста, учете временно́й иерархии и восприятии временны́х образов. В этой «зоне обитаемости» мы можем оценивать длительность событий и длительность промежутков между ними, а также отслеживать общую структуру последовательности фонем, музыкальных звуков, точек и тире азбуки Морзе. По этой причине для объяснения принципов отсчета времени в диапазоне от нескольких миллисекунд до нескольких секунд нам следует заглянуть за пределы общепринятой теории осциллирующих нейронов.

КРУГИ НА ВОДЕ

Посмотрите на разбегающиеся по воде круги, образованные двумя каплями дождя (рис. 6.1). Какая капля упала первой? Одна из задач данной главы заключается в том, чтобы продемонстрировать, что для определения времени теоретически подходит любое физическое явление, которое можно повторить воспроизводимым образом (об этом нам напоминает цитата из книги Эйнштейна и его коллеги Леопольда Инфельда, использованная в качестве эпиграфа к данной главе).

Если все капли дождя падают на поверхность воды с одинаковым импульсом, все они создают примерно одинаковые серии концентрических кругов. Эти круги — пример пространственно-временно́го рисунка: пространственного образа, изменяющегося во времени. Моментальный снимок этого рисунка в любой момент времени не только показывает, какая капля упала раньше, но и позволяет (с применением несложной математики) рассчитать интервал времени между падением капель.