关于大脑如何判断时间的新发现

从亚里士多德对时间本质的思考到爱因斯坦的相对论，人类长期以来一直在思考：我们如何感知和理解时间?相对论认为时间可以拉伸和收缩，这种现象称为时间膨胀。正如宇宙扭曲时间一样，我们的神经回路可以拉伸和压缩我们对时间的主观体验。正如爱因斯坦的一句名言：“把你的手放在热炉上一分钟，感觉就像一个小时。和一个漂亮女孩坐在一起一个小时，就像一分钟”。

在 Champalimaud 研究中心学习实验室发表在《自然神经科学》杂志上的新研究中，科学家们人为地减慢或加速了老鼠的神经活动模式，扭曲了它们对时间持续时间的判断，并为大脑如何运作提供了迄今为止最令人信服的因果证据。内在的发条引导着行为。

与更熟悉的生物钟相比，生物钟控制着我们 24 小时的生物节律并塑造着我们的日常生活，从睡眠-觉醒周期到新陈代谢，但人们对身体如何以秒到分钟为单位测量时间知之甚少。这项研究正是集中在从几秒到几分钟的时间尺度上，我们的大部分行为都是在这个时间尺度上展开的，无论你是在等红灯还是在发网球。

人口时钟假说

与计算机集中时钟的精确滴答声不同，我们的大脑保持着分散且灵活的时间感，这种感觉被认为是由分散在大脑中的神经元网络的动态塑造的。在这个“群体时钟”假说中，我们的大脑依靠行为过程中神经元群体进化的一致活动模式来计时。

该研究的资深作者乔·佩顿(Joe Paton)将此比作将一块石头扔进池塘。“每次石头掉落时，都会产生波纹，并以可重复的模式在表面上向外辐射。通过检查这些波纹的图案和位置，人们可以推断出石头是何时何地落入水中的。”

“正如涟漪移动的速度可能会发生变化一样，这些活动模式在神经群体中进展的速度也会发生变化。我们的实验室是第一个证明这些神经“涟漪”演化的快慢与时间依赖性决策之间存在紧密相关性的实验室之一。

研究人员训练老鼠区分不同的时间间隔。他们发现纹状体(大脑深处的区域)的活动遵循以不同速度变化的可预测模式：当动物报告给定时间间隔较长时，活动进化得更快，而当他们报告给定时间间隔较短时，活动进化得更慢。

然而，相关性并不意味着因果关系。“我们想测试纹状体群体动态速度的变化是否仅仅与时间行为相关或直接调节。为此，我们需要一种方法来通过实验来操纵这些动态，因为动物报告了时间判断”。

揭示时间与温度的关系

“永远不要扔掉旧工具”，该研究的主要作者之一蒂亚戈·蒙泰罗 (Tiago Monteiro) 笑着说。为了确定因果关系，研究小组求助于神经科学家工具箱中的一种老式技术：温度。“之前的研究已使用温度来操纵行为的时间动态，例如鸟鸣。冷却特定的大脑区域会减慢歌曲的播放速度，而变暖会加快歌曲的播放速度，但不会改变其结构。这类似于改变音乐作品的节奏而不影响音符本身。我们认为温度可能是理想的，因为它有可能使我们能够改变神经动力学的速度而不破坏其模式”。

为了在老鼠身上测试这个工具，他们开发了一种定制的热电装置来局部加热或冷却纹状体，同时记录神经活动。在这些实验中，老鼠被麻醉，因此研究人员采用光遗传学(一种利用光刺激特定细胞的技术)在休眠的纹状体中产生活动波，就像将石头扔进池塘一样。联合主要作者玛格丽达·佩克斯拉 (Margarida Pexirra) 指出，“我们小心翼翼地避免使该区域温度过高，因为这会导致活动停止，或者温度过高，从而面临不可逆转的损害”。他们发现，变冷确实会扩张活动模式，而变暖会收缩活动模式，但不会扰乱模式本身。

该研究的另一位主要作者菲利佩·罗德里格斯 (Filipe Rodrigues) 表示：“温度为我们提供了一个旋钮，可以及时拉伸或收缩神经活动，因此我们在行为背景下应用了这种操作。” “我们训练动物报告两个音调之间的间隔是否短于或长于 1.5 秒。当我们冷却纹状体时，他们更有可能说给定的时间间隔很短。当我们加热它时，他们更有可能说它很长”。例如，加热纹状体会加速纹状体种群动态，类似于加速时钟指针的运动，导致老鼠判断给定的时间间隔比实际的要长。

用于运动控制的两个大脑系统

“令人惊讶的是，”佩顿补充道，“尽管纹状体协调运动控制，但减慢或加速其活动模式并不会相应减慢或加快动物在任务中的运动。这让我们更深入地思考行为控制的本质。即使是最简单的生物体在控制运动时也面临两个基本挑战。首先，他们必须从不同的潜在行动中进行选择 - 例如，是前进还是后退。其次，一旦他们选择了一项行动，他们需要能够不断地调整和控制它，以确保它有效地执行。这些基本问题适用于从蠕虫到人类的所有生物体”。

研究小组的研究结果表明，纹状体对于解决第一个挑战(确定“做什么”和“何时”)至关重要，而“如何”控制正在进行的运动的第二个挑战则留给其他大脑结构。在另一项研究中，该团队目前正在探索小脑，该脑区容纳了大脑一半以上的神经元，并且与我们持续不断地执行动作有关。“有趣的是”，佩顿透露，“我们的初步数据表明，与纹状体不同，对小脑进行温度控制确实会影响持续的运动控制”。

正如佩顿指出的那样，“在帕金森病和小脑性共济失调等运动障碍中，你可以看到两个大脑系统之间的这种分工”。帕金森氏症是一种影响纹状体的疾病，通常会妨碍患者自主启动运动计划(例如行走)的能力。然而，提供感官提示，例如地面上的胶带线，可以促进步行。这些线索可能会涉及其他大脑区域，例如小脑和皮质，这些区域仍然完好无损，可以有效地管理连续运动。相比之下，患有小脑损伤的患者难以执行平稳且协调的运动，但不一定难以开始运动或运动之间的过渡。

影响和未来方向

通过提供对神经活动和计时功能之间因果关系的新见解，该团队的研究结果可能会促进帕金森氏症和亨廷顿氏症等衰弱性疾病的新治疗靶点的开发，这些疾病涉及与时间相关的症状和受损的纹状体。此外，通过强调纹状体在离散运动控制(而不是连续运动控制)中的更具体作用，结果还可能影响机器人和学习中使用的算法框架。

“讽刺的是，对于一篇关于时间的论文来说，这项研究是酝酿多年的”，蒙泰罗评论道。“但是还有很多谜团需要解开。哪些大脑回路首先产生了这些计时活动的涟漪?除了保持时间之外，这种涟漪还可以执行哪些计算?它们如何帮助我们适应并明智地应对我们的环境?为了回答这些问题，我们将需要更多我们一直在研究的东西……时间”。