Мозг – повелитель времени

Ученые умеют поддерживать в живом виде in vitro («в чашке») не только клетки крови, сердца или печени, но также и клетки коры головного мозга, например, крыс или мышей. Эти фрагменты коры, содержащие десятки тысяч нейронов, можно поддерживать в живом состоянии на протяжении недель или месяцев. Обычно клетки помещают в термостат, где они не имеют никакого контакта с внешним миром.

Хоуп Джонсон и Эну Гоэль из нашей лаборатории попытались выяснить, что произойдет, если эти клетки подвергнуть воздействию какого-то временного сигнала. Изменится ли как-нибудь их состояние? Смогут ли нейроны «выучить» специфический интервал? В одной серии экспериментов срезы слуховой коры мозга крыс подвергали воздействию электрических стимулов с интервалами 100, 250 и 500 мс на протяжении нескольких часов127. В норме мозг получает сигналы от органов чувств, но у нейронов в чашке нет возможности получать сигналы из внешнего мира. Чтобы в условиях in vitro обеспечить нервные клетки чувственной информацией, использовались металлические электроды, которые провоцировали краткосрочный электрический шок и вызывали возбуждение небольшого количества нейронов. Через 100, 250 или 500 мс Эну Гоэль посылала следующий сигнал, в этот раз в виде импульса света, который тоже вызывал возбуждение части нейронов.

В обычной ситуации, естественно, нейроны не реагируют на свет (за исключением фоторецепторных клеток глаза), поскольку у них нет для этого необходимых пигментов. Однако с помощью так называемых оптогенетических методов можно заставить нейроны в чашке возбуждаться в ответ на световой сигнал (в клетку встраивают ген, кодирующий светочувствительный белок)128.

В результате эти нейроны коры имели очень ограниченный контакт с внешним миром, и все, что они испытывали, происходило через одинаковые интервалы времени 100, 250 или 500 мс. Вопрос заключался в том, повлияет ли каким-то образом это воздействие на поведение нервных клеток. Срезы нервной ткани часто отвечают на краткий электрический импульс взрывом активности, длящейся до нескольких сотен миллисекунд. Это происходит по той причине, что нейроны, напрямую активированные током, активируют другие нейроны, те, в свою очередь, активируют следующие и т. д., пока волна активности не утихнет.

Эта активность — характеристика внутренней динамики сети. В зависимости от интервала времени, на котором «тренировали» ткань, эта внутренняя динамика имела разные характеристики. При тренировке на коротком интервале активность длилась недолго, при тренировке с интервалами 250 или 500 мс средняя продолжительность активности постепенно удлинялась. Таким образом, мало того, что в результате тренировки изменялась внутренняя динамика ткани, эта динамика адаптировалась к временному интервалу, на котором происходила тренировка.

Исследования, проведенные в лаборатории Маршалла Шулера в Университете Джонса Хопкинса, показали, что клетки зрительной коры мозга в условиях in vitro тоже «обучались» распознавать интервалы времени129. Возможная интерпретация этих результатов заключается в том, что даже в чашке нейронные сети коры способны в каком-то смысле обучаться распознавать время.

Эти исследования in vitro подтверждают идею о том, что отсчет времени в диапазоне сотен миллисекунд осуществляется не какими-то специализированными сетями нейронов, а является природным свойством сетей нейронов в целом.

Людей часто интересует, существуют ли какие-то неврологические нарушения, связанные с потерей способности определять время. Ответ на этот вопрос зависит от того, о каких интервалах времени идет речь. Мы уже упоминали случай Клайва Уэринга, который потерял способность отсчитывать время в пределах минут и поэтому все время считал, что только что проснулся. Это понятно. Даже если у нас на стене висят часы, мы не сможем с их помощью определить, что прошел час, если не помним, когда он начался. Но поскольку Уэринг сохранил способность исполнять музыку, понимать речь и говорить, значит механизм отсчета времени в диапазоне сотен миллисекунд не пострадал. Кроме того, как и знаменитый пациент H. M.130, страдавший амнезией, Уэринг может точно воспроизводить интервалы в несколько секунд131. У Уэринга и H. M. нарушена способность создавать новые долгосрочные воспоминания (точнее, воспоминания о фактах или эпизодах собственной жизни).

Такие нарушения позволяют понять, как мозг накапливает воспоминания. Поэтому вполне естественно задать вопрос, существуют ли специфические нарушения, затрагивающие способность человека определять время в диапазоне нескольких секунд. Ответ на этот вопрос отрицательный. Мы не знаем неврологических нарушений, при которых человек одновременно теряет способность оценивать музыкальный ритм, узнавать интервалы времени в пределах нескольких секунд и учиться моргать в такт музыке. И таких нарушений быть не должно, поскольку разные временные задачи решаются разными сетями нейронов головного мозга.

***