Мозг – повелитель времени

Часы окружают нас со всех сторон: они у нас на запястье, в телефоне, в машине, в приборах, на стенах и в компьютерах. Но выясняется, что часы существуют не только снаружи, но и внутри нас. Головной мозг и тело человека и других животных умеют определять время: даже отдельная клетка печени может сообщить, какое сейчас время суток. Но как мозг определяет время? Какая часть мозга выполняет эту функцию? Теперь мы знаем, что на эти вопросы есть несколько ответов. Эволюция снабдила мозг множеством механизмов для определения времени. Этот подход (разные часы для разных временны́х интервалов), который я буду называть принципом множественности часов, отличается от нашего подхода к изготовлению часов. Даже самые простые наручные часы могут достаточно точно отсчитывать сотые доли секунды, секунды, минуты, часы, дни и месяцы. Но сети нейронов головного мозга, узнающие ритм Пятой симфонии Бетховена, не имеют часовой стрелки, как не имеют секундной стрелки сети нейронов, регулирующие циклы сна и бодрствования. Возможно, на первый взгляд это противоречит интуиции, но, учитывая важнейшую роль времени для всех аспектов поведения и познания, а также разный набор стоящих перед мозгом временны́х проблем, такой «множественности часов» как раз и следовало ожидать.

3:00 ДЕНЬ И НОЧЬ

Было бы неплохо, если бы мы смирились с фактом, что время — одна из тех вещей, которым мы, вероятно, не сможем дать определение… Действительно важно не то, как мы определяем время, а то, как мы его измеряем.

РИЧАРД ФЕЙНМАН

Одна из самых незначительных загадок науки заключается в том, почему мыши любят крутить колесо. Каждый владелец домашней крысы или мыши, также, как и любой человек, наблюдавший за этими животными в зоомагазине, наверняка видел, с каким энтузиазмом они бегают в колесе. Что заставляет их бежать? Маловероятно, что этим беднягам просто нечего делать. Люди рассказывают, что видели диких мышей, бегающих в старом колесе, брошенном в гараже, или лабораторных крыс, убегавших из клеток только для того, чтобы залезть на колесо. Эти забавные истории подкрепляются результатами экспериментов, в которых биологи расставляли крутящиеся колеса в местах естественного обитания грызунов и снимали происходящее скрытой камерой. Ученые наблюдали, как дикие мыши взбирались на колесо, спрыгивали с него, а потом залезали вновь39. Как подростки, которые тратят с трудом заработанные деньги на игровые автоматы, так и грызуны готовы «поработать» за возможность побегать в колесе. А если к колесу прикрепляют тормоза, крысы нажимают на рычаг, чтобы отсоединить тормоза и разогнаться40. У этого занятия есть даже темная сторона. Если крыс ограничивают в пище, бег в колесе может быть опасен для их здоровья. Находящиеся на диете крысы бегают в колесе гораздо активнее по сравнению с нормально питающимися крысами, не имеющими свободного доступа к колесу; в результате у них возникают дополнительные проблемы со здоровьем, и повышается уровень смертности41.

Сможем мы разгадать эту маленькую тайну или нет, но маниакальное желание мышей, крыс и хомяков побегать в колесе помогло нам сильно продвинуться в понимании того, как мозг определяет время, по крайней мере, время суток. Представленный на рис. 3.1 график называется актограммой42 и отражает движение мыши в колесе. Каждый раз, когда колесо совершает полный круг, прибор рисует вертикальную черточку. Для наглядности и во избежание промежутков на графике данные для следующего дня показаны справа и внизу по отношению к данным каждого текущего дня. Черно-белая полоска вверху отражает 24-часовой цикл с включенным и выключенным светом. Мыши и крысы — ночные животные, поэтому они предпочитают бегать в колесе ночью, но в лаборатории их «ночь» может быть нашим днем, т. к. биологи часто изменяют световой цикл животных, чтобы студентам не приходилось работать по ночам. Судя по графику, как только выключают свет, мыши забираются на колесо и начинают бегать, спрыгивая и вновь возвращаясь на протяжении всей ночи. Через несколько дней после начала эксперимента ученые полностью отключали свет. Но, как следует из графика, даже при отсутствии внешних сигналов относительно времени суток мыши продолжали следовать обычному суточному ритму со сменой активности и покоя. Однако в полной темноте происходило что-то интересное: длительность суточного цикла изменялась от привычных 24 ч до чуть более короткого периода; это видно по постепенному сдвигу графика влево. Таким образом, по крайней мере у мышей, цикл сна и бодрствования не соответствует в точности 24 ч.