Теория относительности утверждает, что время может растягиваться и сжиматься. Точно так же, как пространство искажает время, наши нейронные цепи могут растягивать и сжимать наше субъективное восприятие. Как однажды заметил Эйнштейн: "Положите руку на горячую плиту на минуту, и вам покажется, что прошел час. Посидите с хорошенькой девушкой час, а покажется минута".

В новой работе исследовательской лаборатории Champalimaud Research ученые искусственно замедляли или ускоряли паттерны нейронной активности у крыс, искажая их восприятие продолжительности времени. Это помогло представить убедительные причинно-следственные доказательства того, как внутренний часовой механизм в нашем мозгу управляет поведением.

В отличие от более привычных циркадных часов, которые управляют нашими суточными биологическими ритмами и влияют на циклы сна и бодрствования и обмен веществ, о том, как тело измеряет время в масштабе минут и секунд, известно мало. Новое исследование было сосредоточено именно на этой временной шкале, на которой разворачивается большая часть наших повседневных дел, будь то ожидание на светофоре или подача теннисного мяча.

Бросок камня в пруд: нейронная активность

В отличие от точного тиканья компьютерных часов, наш мозг сохраняет децентрализованное и гибкое чувство времени, которое, как считается, формируется динамикой нейронных сетей. В гипотезе "популяционных часов" наш мозг отсчитывает время, полагаясь на последовательные паттерны активности, возникающие в группах нейронов во время какого-то действия.

Джо Патон, старший автор исследования, сравнивает это с броском камня в пруд. "Каждый раз, когда камень падает, он создает рябь, которая расходится по поверхности повторяющимся узором. Посмотрев на них,  можно сделать вывод, когда и где камень упал в воду".

"Подобно тому, как скорость движения ряби по воде может варьироваться, скорость, с которой паттерны активности развиваются в нейронных популяциях, также может меняться. Наша лаборатория была одной из первых, кто продемонстрировал тесную взаимосвязь между тем, насколько быстро или медленно развиваются эти нейронные "волны", и зависящими от времени решениями", — объясняет Патон. 

Исследователи научили крыс различать разные промежутки времени. Они обнаружили, что активность в глубокой области мозга — полосатом теле или стриатуме, следует предсказуемым закономерностям, которые меняются с разной скоростью: когда животные показывают, что данный временной интервал длиннее, активность развивается быстрее, а когда им кажется, что он короче — медленнее. 

Однако корреляция не означает причинно-следственной связи. "Мы хотели проверить, коррелирует ли изменчивость скорости динамики популяций нейронов в полосатом теле с временным поведением или напрямую регулирует его. Чтобы сделать это, нам был нужен способ экспериментального манипулирования этой динамикой, когда животные демонстрируют свое восприятие времени".

Старая добрая температура

"Никогда не выбрасывайте старые инструменты, — улыбается Тьяго Монтейро, один из ведущих авторов исследования. Чтобы установить причинно-следственную связь, команда обратилась к методу старой школы — к температуре. — Она использовалась в предыдущих исследованиях для управления временной динамикой поведения, такого как пение птиц. Охлаждение определенной области мозга замедляет воспроизведение песни, а разогрев ускоряет ее, не изменяя структуры. Это похоже на изменение темпа музыкального произведения без влияния на сами ноты. Мы решили, что температура потенциально позволит нам изменить скорость нейронной динамики, не нарушая ее структуру".

Чтобы протестировать этот инструмент на крысах, ученые разработали специальное термоэлектрическое устройство для локального нагрева или охлаждения полосатого тела (стриатума), и одновременного мониторинга нейронной активности. В этих экспериментах крыс анестезировали, поэтому исследователи использовали оптогенетику — метод, который использует свет для стимуляции определенных клеток — для создания волн активности в спящем полосатом теле, что очень похоже на бросок камня в пруд. Ученые обнаружили, что охлаждение действительно расширяет паттерн активности, а нагревание сужает его, не нарушая самой структуры.

"Температура дала нам способ, позволяющий "растягивать" или "сокращать" нервную активность во времени, поэтому мы применили эту манипуляцию в контексте поведения, — говорит Филипе Родригес, еще один ведущий автор исследования. — Мы обучали животных сообщать, был ли интервал между двумя тонами короче или длиннее полутора секунд. Когда мы охлаждали полосатое тело, они с большей вероятностью полагали, что данный интервал был коротким. Когда нагревали, они чаще думали, что интервал длиннее". 

Две системы для управления движением

"Удивительно, — добавляет Патон, — хотя полосатое тело координирует моторный контроль, замедление или ускорение его паттернов активности не замедляет или не ускоряет движения животных при выполнении задачи. Это заставило нас глубже задуматься о природе контроля поведения в целом. Даже самые простые организмы сталкиваются с двумя фундаментальными проблемами, когда дело доходит до управления движением. Во-первых, им приходится выбирать из различных возможных действий — двигаться вперед или назад. Во-вторых, после того, как они выбрали действие, они должны иметь возможность постоянно корректировать и контролировать его, чтобы обеспечить эффективное выполнение. Эти основные проблемы применимы ко всем видам организмов, от червей до человека".

Выводы группы показывают, что полосатое тело имеет важное значение для решения первой задачи — определения "что" делать и "когда" — в то время как вторая проблема "как" контролировать продолжающееся движение остается на усмотрение других структур мозга. В отдельном исследовании команда изучает мозжечок, в котором находится более половины нейронов и который связан с непрерывным, ежеминутным выполнением наших действий. "Интересно, — рассказывает Патон, — что наши предварительные данные показывают, что применение температурных манипуляций к мозжечку, в отличие от полосатого тела, действительно влияет на непрерывный контроль движений".

Как отмечает Патон, это разделение труда между двумя системами мозга заметно при двигательных расстройствах, таких как болезнь Паркинсона и мозжечковая атаксия. Болезнь Паркинсона, заболевание, поражающее полосатое тело, часто препятствует способности пациентов самостоятельно инициировать движение. При этом, вспомогательные меры, например, разметка на полу, могут облегчить ходьбу. Эти сигналы, вероятно, задействуют другие области мозга, такие как мозжечок и кора, которые все еще не повреждены и могут эффективно управлять непрерывным движением. Напротив, у пациентов с повреждением мозжечка возникают трудности с выполнением плавных и скоординированных действий, но не обязательно с инициацией или переключением между ними.

Понимание причинно-следственных связей между нейронной активностью и функцией синхронизации может помочь в разработке новых способов лечения болезней Паркинсона и Хантингтона, которые включают симптомы, связанные со временем. Кроме того, результаты также могут повлиять на алгоритмические основы, используемые в робототехнике и обучении.

Работа была опубликована в Nature Neuroscience.