Как ваш мозг сообщает время?

С солнечных часов и водных часов древних египтян, через первые морские хронометры, до современных атомных часов, люди приступили к поиску, чтобы измерять время с все большей точностью. Этот квест произвел революцию в морской разведке, поставил на якорь индустриальную революцию и позволил нашей нынешней способности точно найти себя (и наши потерянные смартфоны) в космосе. В современном мире мы регулярно отслеживаем время на масштабах более пятнадцати порядков: от точности наносекунд, необходимой для GPS, для отслеживания нашей ежегодной поездки вокруг Солнца. И между этими крайностями мы измеряем минуты и часы, которые определяют нашу повседневную деятельность. Удивительно, но мы можем использовать одно и то же устройство для измерения времени в этом полном спектре во времени: атомные часы используются для времени как наносекундных задержек при поступлении сигналов от разных спутников, так и для внесения корректировок в календарный год. Этот один такт соответствует всей стратегии – это полная противоположность решению, разработанному природой, для решения проблемы времени.

Каждый раз, когда вы поворачиваете голову к визгу, вы на самом деле говорите время. Ваша слуховая система отслеживала тот факт, что звук поступал в одно ухо за сто микросекунд до другого и использовал эту информацию для расчета того, откуда возник звук. В гораздо более продолжительном масштабе часов и дней наши циркадные часы предвосхищают восход и закат и делают широкий спектр гормональных и физиологических корректировок, чтобы подготовить нас к работе перед сном. В промежуточном диапазоне, в масштабе миллисекунд и секунд способность мозга определять время одинаково или важнее. Речь и музыка не существовали бы, если бы мы не могли измерить информацию, содержащуюся в длинных слогах, словах и заметках, или паузы между ними. И в немного более продолжительном масштабе наше субъективное чувство времени говорит нам, когда красный свет станет зеленым.

Но как мозг рассказывает время? Пока мы еще не знаем полного ответа на этот вопрос, мы знаем, что ответа нет.

Циркадные часы, вероятно, лучше всего понятны хранителям времени в мозге. И, честно говоря, организмы даже не нуждаются в мозге, чтобы предвосхищать земные ежедневные ритмы. Люди, плодовые мухи, растения и даже некоторые бактерии имеют суточные ритмы. Вы можете задаться вопросом, почему бактерии будут заботиться о времени суток? Интересно, что самая ранняя сила, определяющая эволюцию циркадных часов, была, вероятно, вредным воздействием солнечной радиации на ДНК. Ультрафиолетовое излучение вызывает мутации во время репликации ДНК. Одноклеточные организмы, лишенные защитного органа, такого как кожа, особенно уязвимы к ошибкам репликации, вызванным светом. Таким образом, деление ночью обеспечивало средства для увеличения репродуктивного успеха. Будь то люди, растения или бактерии, циркадные часы зависят от биохимической обратной связи. ДНК синтезирует белки через транскрипцию, когда этот белок достигает критической концентрации, он ингибирует транскрипцию ДНК, которая была ответственна за ее синтез для начала; и когда белок деградирует, ДНК-транскрипция и синтез белка начинается заново. Не случайно этот цикл занимает около 24 часов. Детали генов и белков, участвующих в циркадных часах, варьируются от организма к организму, но общая стратегия одна и та же.

• Prime Business: больше страха, чем самого страха
• Как вы, кто вы, стили
• Пары Терапия для чайников
• Вы ищете проблемы?
• Почему культурный детерминизм – это не наука

Мы знаем гораздо меньше о том, как мозг измеряет различия в паузе между словами «без собак, пожалуйста» и «без собак». Или как мозг предвосхищает следующее кольцо звонящего телефона? Тем не менее становится все более очевидным, что ответ будет мало похож на фактические часы.

Все современные часы работают на двух простых компонентах: осцилляторе и счетчике. Осциллятор, такой как маятник дед-часов или электромеханические колебания кварцевого кристалла цифровых часов, отходит с некоторой постоянной скоростью. Счетчик просто отслеживает общее количество тиков осциллятора. Но есть много способов рассказать время, которое не требует генераторов и счетчиков. Рассмотрим рябь, создаваемую двумя каплями дождя, попадающими в пруд. Каждый из них создает расширяющиеся концентрические кольца, и если вам будет показана картина двух рябь, вы можете сказать, какая из них выпало сначала, и если бы вы были так склонны, вы могли бы рассчитать интервал между двумя каплями. В настоящее время имеются существенные свидетельства того, что таким же образом образцы ряби на пруду можно использовать, чтобы рассказать время, что мозг использует изменяющиеся модели нейронной активности для указания времени ¹ . Чтобы понять, как это может сработать, подумайте, глядя ночью на небоскребы ночью, и для каждого окна вы можете увидеть, включен ли свет в комнате. Теперь давайте предположим, что по какой-то причине один и тот же образец повторяется каждый день. В одном окне свет горит сразу же на закате, через час после захода солнца, а в другой свет горит на закате и выключается через час, а затем возвращается через 3 часа. Если было 100 окон, мы могли бы записать строку двоичных цифр, представляющих «состояние» здания в каждый момент времени 1 0 1 … на закате, 1 1 0 … через один час после захода солнца и т. Д. – каждая цифра представляя, включен или выключен свет в данном окне. Несмотря на то, что здание не предназначено для часов, вы можете видеть, что мы можем использовать его, чтобы рассказать время по шаблону огней в окнах. В этой аналогии каждое окно представляет собой нейрон, который может быть «включен» (потенциалы действия стрельбы) или «выключен» (беззвучный). Ключом к работе этой системы является то, что шаблон должен быть воспроизводимым. Ряд исследований был зарегистрирован из групп нейронов, в то время как животные выполняли задачу, и продемонстрировали, что изменение характера активных нейронов можно использовать для определения времени в течение секунд.

Вследствие неотъемлемого бессистемного процесса разработки эволюции у нас есть амальгама разного биологического механизма сохранения времени в нашем мозгу. И каждый раз хранитель специализируется на очень конкретном временном масштабе. Другими словами, ваши циркадные часы не имеют секундной стрелки, и механизмы, которые ваш мозг использует, чтобы сказать вам, когда красный свет вот-вот изменится, не имеют часовой стрелки.

• Линия Anti-Cosmetic Surgery: есть ли неожиданные последствия?
• 5 ценных уроков знакомств из королевства животных
• Мосты округа Сэнфорд, часть II (или «Дьявол в деталях»)
• Ричард Бенталл по безумию объяснил и догадывался
• Психологические последствия дефицита витамина D

Подробнее о том, как мозг рассказывает о времени и о том, как изъяны мозга формируют нашу жизнь