作者：Emily Singer
來源：DeepTech深科技微信公眾號
ID：mit-tr
大腦細胞在感知空間位置的同時也在計量節(jié)拍。也就是說我們的想法是處在時空畫布中的4D圖。
我們的大腦對于計量時間有著不凡的能力。司機可以判斷各個交通信號燈的時間，舞者可以將一個節(jié)拍精確到毫秒。但究竟大腦如何追蹤時間仍舊是一個謎。研究人員已經(jīng)確定參與運動，記憶，色覺等功能的大腦區(qū)域，但還沒有發(fā)現(xiàn)哪個部分用來感知時間的。
的確，我們的神經(jīng)計時器已經(jīng)證明了它難以捉摸，大多數(shù)科學(xué)家認為這一機制分布在整個大腦中，不同區(qū)域根據(jù)需求使用各自的感官來跟蹤時間。
在過去的幾年里，只有少數(shù)幾位研究人員從神經(jīng)信號中編譯出一些證據(jù)，它們表明，負責感知空間信號的大腦細胞，同時也在記錄著時間的流逝。這說明大腦的記憶區(qū)塊和定位區(qū)塊——海馬（hippocampus）和內(nèi)嗅皮質(zhì)（the entorhinal cortex），也是一種計時器。（注意：此處僅指海馬區(qū)中的“海馬”）
去年11月發(fā)表的研究，波士頓大學(xué)（Boston University）的神經(jīng)科學(xué)家霍華德·埃辛鮑姆（Howard Eichenbaum）和他的同事們發(fā)現(xiàn)，小鼠大腦內(nèi)置的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)由細胞構(gòu)成，這種細胞被稱為網(wǎng)格細胞，它們比科學(xué)家預(yù)想的更具可塑性。
通常，這些細胞就像航位推算系統(tǒng)，當動物處在特定位置時，特定的神經(jīng)細胞就會被激發(fā)。（發(fā)現(xiàn)這個特征的科學(xué)家們分享了2014年的諾貝爾獎）埃辛鮑姆發(fā)現(xiàn)，當動物保持在同一位置，比如當它在跑步機上奔跑，細胞會同時記錄位置和時間。這項工作表明，大腦對空間和時間的感覺交織在一起。
這一發(fā)現(xiàn)有助于深化我們對大腦的記憶和導(dǎo)航系統(tǒng)工作模式的認識。也許網(wǎng)格細胞和其它類似GPS的細胞不只反映空間，而且能夠編碼其他相關(guān)物理量，諸如時間、氣味甚至味道。 “它可能昭示了海馬更廣闊的作用，”研究記憶和海馬的加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)學(xué)家羅蘭·弗蘭克（Loren Frank）指出， “海馬中相關(guān)的軸用作對當前情景進行編碼，然后使用特定的細胞來映射這些情景。 ”
這些映射按順序構(gòu)建一個記憶架構(gòu)，為我們無窮無盡的過往回憶提供了一個有組織的系統(tǒng)。 “海馬是時空回憶的工程師，”埃辛鮑姆說，“它提供了一個框架，我們將各個事件堆砌在這個框架上。 ”
神經(jīng)時鐘：小鼠在輪中跑步，以15秒為采樣時間記錄神經(jīng)細胞信號。每一行代表一個單獨的神經(jīng)元活動（紅色表示激發(fā)態(tài)）。
時間的顏色
為了研究海馬如何監(jiān)控時間，科學(xué)家訓(xùn)練小鼠在輪子里或微小的跑步機上奔跑。這種設(shè)定保證它的位置和行為不變，從而使研究人員能夠?qū)Ｗ⒂跁r域神經(jīng)信號。（小鼠太煩躁呆不住，因此跑步有助于規(guī)范它難以預(yù)料的行為。）在它大腦中植入的電極將記錄不同神經(jīng)細胞的激發(fā)時間。
在埃辛鮑姆的實驗中，小鼠在跑步機上跑一段時間，比如15秒，然后獲得一個獎勵。當它進行周期性的重復(fù)，它的大腦將學(xué)會標記15秒的時間間隔。一些神經(jīng)元會在第一秒激發(fā)，另一些在第二秒，如此反復(fù)，直到15秒結(jié)束。
“各個細胞會在不同時刻激發(fā)，直到將整個時間間隔充滿，” 埃辛鮑姆說。這代碼是如此精確，研究人員甚至可以直接通過觀察細胞的狀態(tài)來判斷小鼠在實驗臺上跑了多久。埃辛鮑姆的團隊反復(fù)進行實驗，并改變跑步機的速度，以確保細胞沒有簡單地標記距離。（一些細胞記錄距離，但有些似乎只記錄時間。）
雖然這些被稱為“時間細胞”的神經(jīng)元顯然能夠標記時間，但它們是如何做到的，這一點仍不清楚。這些細胞的行為更像是一個秒表——每次啟動時鐘時，神經(jīng)活動按相同的模式重復(fù)。但它們表現(xiàn)出了比秒表更強的適應(yīng)性。當研究人員改變實驗條件，例如通過將時間間隔從15秒延長至30秒，海馬中的細胞將創(chuàng)建一個新的激發(fā)模式以覆蓋新的時間間隔。這就像對一個秒表在不同的時間尺度下進行編程。
此外，時間細胞的工作取決于情景，它們只在時間作為當下首要事件的情況下標記時間。當其他變量發(fā)揮更大作用時，細胞將做出不同表現(xiàn)。比如讓小鼠去探索一個新的環(huán)境，這些“時間”細胞則會將自己映射到空間，特定的細胞將在一個特定的位置激發(fā)，而不是在特定時間這樣做。
霍華德·埃辛鮑姆，波士頓大學(xué)神經(jīng)學(xué)家，正在探索記錄空間的大腦分區(qū)如何監(jiān)控時間。
大腦的時空矩陣
埃辛鮑姆的工作和近15年神經(jīng)科學(xué)的研究趨勢相吻合，它表明海馬比科學(xué)家預(yù)想的更靈活。傳統(tǒng)意義上，研究人員認為它是一個地圖繪制員（位置編碼細胞早在40年前已被發(fā)現(xiàn)），但是越來越多的證據(jù)表明，它可以如此編碼其他類型的信息。根據(jù)最新發(fā)現(xiàn)，位置細胞不僅可以映射空間信息，還有其他變量。時間只是其中之一。例如， “一個品酒師可以建構(gòu)酒氣和酒香的緯度。 ”弗蘭克說。
但許多科學(xué)家仍然認為海馬更主要的作用是建構(gòu)空間。按照他們的說法，神經(jīng)回路只用來記錄位置，而其他一切都只是搭載在位置信息之上。 “海馬揭示了一個秘密，自然界的本質(zhì)是空間。” 加州大學(xué)歐文分校的神經(jīng)學(xué)家布魯斯·麥克諾頓（Bruce McNaughton）說。
埃辛鮑姆的研究結(jié)果挑戰(zhàn)了這個觀點，但并不能完全證偽它。 “可以肯定的是，位置細胞可以傳遞超越位置的信息，”約翰·霍普金斯大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家大衛(wèi)·福斯特（David Foster）說?！暗?，不太清楚的是，它們是否能僅僅對時間的流逝編碼?！?/p>
在跑步機計時實驗中，小鼠似乎在做計數(shù)的工作。但這些細胞標記的是時間本身的流逝，抑或是它們在標記其他看起來像時間的東西？ “我們知道奔跑實驗讓細胞在特定的點上激發(fā)，但我不認為所謂特定點位指的是時間?！被羧A德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（Howard Hughes Medical Insitute）的神經(jīng)學(xué)家伊娃·帕斯塔科娃（Eva Pastalkova）說?！斑@不夠精確，它們不像是滴答作響的時鐘。 ”
紐約大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)研究所的神經(jīng)學(xué)家捷爾吉·布茲薩奇（Gy?rgy Buzsáki），在實驗室做了一些探索海馬如何追蹤時間的實驗，提出這些細胞不是監(jiān)視時間本身，而是正在做別的事情——記憶通過一個迷宮或者指引小鼠的下一步行動的路徑。記憶和未來計劃揭示了時間，所以時間細胞可能只是反映了這種心理活動。
“這是我的頭號問題：大腦中是否有神經(jīng)元專門記錄時間，別的什么也不做？” 布茲薩奇說。 “還是說所有神經(jīng)元都有工作順序，這種內(nèi)在的順序讓實驗人員誤以為它們在計時？”
布茲薩奇指出，甚至可能將海馬細胞作為獨立編碼空間或時間的單元都是一種沒有意義的思考。人類的大腦往往交互考慮時間和空間。 “如果你問別人，從紐約到洛杉磯有多遠，你得到的答案將各不相同： 3000英里，六小時的飛行，諸如此類,” 他說。 “用更古老的語言來說，距離一般是通過時間確定——從一個山谷到另一個山谷需要兩天。因為當時沒有距離概念，只有對日出日落次數(shù)的計量”。
對布茲薩奇來說，這個問題從神經(jīng)科學(xué)延伸至物理學(xué)。物理學(xué)家認為時空作為一個凝聚態(tài)的四維實體，宇宙中的物體和事件都交織在其中?！吧窠?jīng)科學(xué)終將回溯到物理學(xué)的古老問題：是否存在離散的時間細胞和地點細胞？或者大腦中只存在單一的一種時間－空間的連續(xù)表達？“布茲薩奇說。
記憶藍圖
埃辛鮑姆沒那么關(guān)注這些抽象的問題。他的目標是將時間在記憶形成過程中扮演的角色分離出來?！爱斈阍噲D回憶你今天早上做了什么，以及這些事件的順序時，”他說。“到底海馬是如何在時間軸上組織回憶的？ ”
海馬損傷的人們往往不能產(chǎn)生新的記憶。有一名著名的病人，他接受了腦葉切除術(shù)去除大部分海馬。每天他都一遍又一遍地把自己介紹給他的醫(yī)生。這些患者也很難記住單詞或事物的順序?！昂ｑR到底如何支持人們記憶一系列事件的時間順序呢？”埃辛鮑姆說。
埃辛鮑姆猜想時間細胞能把事件按順序布置在一個時間表上。如果記憶是一部電影，時間單元的作用就是將各幀畫面按順序排列。他的團隊正在設(shè)計實驗，給穿插起來的不同事件加上時間延遲，看看時間細胞如何修改自己的代碼以便記錄事件發(fā)生的順序。
“我不認為海馬是一個時鐘，”他說。 “但至少它使用了一個時鐘來描繪出事情發(fā)生的經(jīng)過，并且在記憶中保存了它們的順序。 ”
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