Мозг – повелитель времени

Чтобы лучше понять преимущество наличия множества часов в одной сети нейронов, давайте представим себе новогоднюю елку с гирляндой из тысячи светодиодных ламп. Допустим, при каждом включении гирлянды лампочки начинают светиться по-другому, чем раньше. Вариантов может быть множество: лампочки могут поочередно мигать или исполнять сложный танец, как окна в гипотетическом многоэтажном доме из нашего предыдущего примера. Преимущество первого режима заключается в том, что его легко расшифровать: первая лампочка включается в момент времени t = 1, вторая — в момент времени t = 2 и т. д. Недостаток таков, что такой режим всего один, так что и таймер всего один. Напротив, сложный режим трудно расшифровать, зато один и тот же набор лампочек можно использовать для создания огромного множества таймеров.

Допустим, наша гирлянда имеет два переключателя: один у Элис, другой у Боба. Представим себе, что переключатель Элис активирует следующий режим включения лампочек с интервалом в 1 с (номера соответствуют положению каждой лампочки в цепи):

t = 1 5 10 15 20

t = 2 6 12 18 24

t = 3 7 14 21 28

…

А переключатель Боба запускает другую последовательность (заметьте, что в этом случае алгоритмы включения лампочек в разные моменты времени разные):

t = 1 1 2 3 4

t = 2 1 4 6 8

t = 3 1 6 9 12

…

В таком случае, если вы смотрите на елку и видите, что включены лампочки под номером 8, 16, 24, 32 и т. д., вы знаете не только, что прошло четыре секунды после включения гирлянды, но и что ее включила Элис. Таким образом, наши новогодние лампочки описывают и время, и пространство, поскольку определяют, сколько времени прошло от момента включения, и какой переключатель был активирован. Зачем мозгу часы, действующие по такому принципу? По той причине, что в диапазоне времени от нескольких миллисекунд до нескольких секунд ему нужно не только определять время, но и выполнять определенные действия в определенные моменты времени.

Один известный пример хронометрированного движения у животных представляет собой классический условный рефлекс: если через 250 мс после звукового сигнала на сетчатку глаза направлять струю воздуха, постепенно человек и другие животные обучаются моргать в ответ на звуковой сигнал. Однако они мигают не в тот момент, когда слышат звук, а тогда, когда предчувствуют появление воздушной струи. Другими словами, животные не просто учатся моргать, они учатся, когда именно моргать. Это важный навык, поскольку в ситуации, когда опасное воздействие может повредить сетчатку, держать глаза закрытыми слишком долго — тоже не самый лучший выход147.

А могут ли животные научиться моргать в разные моменты времени в ответ на разные звуки? Именно это продемонстрировали эксперименты Майкла Маука. Сотрудники его лаборатории показали, что кролики могут научиться моргать примерно через 150 мс после низкочастотного звукового сигнала и через 750 мс после высокочастотного сигнала. Кроме того, повреждение мозжечка приводило к исчезновению этой способности, так что, вероятно, эти нейронные часы располагаются где-то в мозжечке.

Вот еще один пример, раскрывающий преимущество множества часов. Представьте себе пианиста, умеющего играть на пианино две песни. В первой песне через секунду после начала должна звучать нота до, а в другой — нота ми. Обычные часы подскажут вам, когда пройдет секунда, но они не скажут, какую клавишу нужно нажимать. Однако использование в качестве таймера динамического пространственно-временного режима (как различные режимы переключения гирлянды в примере с Элис и Бобом) поможет решить не только проблему определения времени, но и подскажет, что в какой момент нужно делать. Мозг может использовать эту стратегию, связывая популяцию нейронов, активных на протяжении секунды в первой песне, с двигательными нейронами, отвечающими за нажатие ноты до, а популяцию нейронов, активных на протяжении секунды во второй песне, с двигательными нейронами, ответственными за нажатие ноты ми.

ДИНАМИКА МОЗГА

Ученые проанализировали множество примеров простых и сложных картин активности нейронов, которые, возможно, отвечают за определение времени. Нейробиолог Джо Пейтон из Центра изучения неизвестного (фонд Шампалимо) в Лиссабоне натренировал крыс тыкаться носом в одну из двух «дверей» в зависимости от длительности временного интервала между звуками. Крысы слышали два звука, разделенные интервалом времени от 0,6 до 2,4 с. Если они тыкались носом в левую дверь после интервала короче 1,5 с и в правую дверь после интервала длиннее 1,5 с, они получали вознаграждение. Крысы довольно хорошо справлялись с заданием. Например, временны́е интервалы длительностью 1 и 2 с они распознавали с вероятностью около 90 %.