Дин Буономано - Мозг – повелитель времени

• Название: Мозг – повелитель времени
• Автор: Дин Буономано
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-04-095335-6

Где хранятся наши воспоминания и можно ли предвидеть будущее? Человеческий мозг совершенно по-особому относится ко времени, отсюда и шестое чувство, и ощущение быстротечности и стремительности жизни. Как это работает, выяснил известный американский нейробиолог Дин Буономано с помощью результатов революционных исследований. Как же наш мозг ощущает и считывает время? Что такое чувство времени? Как связано оно с распознаванием речи и музыки? Можно ли на самом деле путешествовать во времени? Ответы – в этом бестселлере серии «Большая наука».

---

Рис. 2.2. Модель пластичности, зависимой от времени импульса (STDP). Два нейрона взаимосвязаны посредством двух синапсов (черные треугольники). Если нижний нейрон постоянно возбуждается раньше верхнего, синапс от нижнего нейрона к верхнему будет усиливаться (потенциация синаптической передачи), а синапс от верхнего нейрона к нижнему будет ослабевать (депрессия синаптической передачи).

Считается, что способность синапсов обучаться причинно-следственным связям между нейронами отчасти определяет способность мозга обучаться связям между событиями внешнего мира. В нашем примере правило STDP помогает нейронам реагировать на последовательность звуков з-о-я, а не на редко произносимое я-о-з, и тем самым позволяет Зое узнавать свое имя. Но STDP – лишь одно из многих правил обучения в арсенале мозга. Заметим, что STDP использует тончайшее временное разрешение, доступное нервной системе: разница во времени поступления постсинаптических импульсов всего в несколько миллисекунд может определять, будет ли синапс усиливаться или ослабевать. Но этот механизм не учитывает связи между событиями, разделенными по времени на несколько секунд или более. Для решения такого рода задач требуются более сложные механизмы, основанные на действии не двух нейронов, а целых популяций нейронов. Однако тем или иным образом нейроны и синапсы мозга обучаются связывать между собой события, разделенные короткими и длинными промежутками, и позволяют нам осмысливать происходящее вокруг нас.

ОПРЕДЕЛЯЕМ ВРЕМЯ ПО РАЗНОЙ ВРЕМЕННО́Й ШКАЛЕ

Закройте глаза и сосредоточьте внимание на каком-нибудь внешнем звуке, например, на жужжании какого-то прибора. Вы легко можете определить, откуда идет звук – слева или справа. Как мозг находит в пространстве источник звука? Дело в том, что звук, идущий слева, сначала достигает левого уха, а чуть позднее – правого. Разница во времени поступления звука является функцией скорости звука и размера вашей головы. Для человека этот интервал составляет около 10 миллисекунд – в тысячу раз меньше, чем разрешающая способность хронометров, фиксирующих результат бега на стометровку на Олимпийских играх. Определенная зона мозга, отвечающая за обработку звуковых сигналов, измеряет этот интервал и на его основании вычисляет расположение источника звука. Поскольку скорость звука практически постоянна, эволюция развивалась так, что пространство и время для нас как бы комплементарны, поэтому вычисление времени позволяет нам «вычислять» пространство.

С совершенно удивительной точностью мы умеем определять время в чуть более широком диапазоне – от десятков миллисекунд до секунды. В этом диапазоне мы умеем не только оценивать интервал между двумя событиями, но также находить и интерпретировать сложные звуковые построения музыки или речи. Например, длительность слогов или пауз в речи позволяет вычислять границы слов (например, «Бра Тани» или «Брат Ани»). Длительность произношения слов и скорость речи определяют просодию (интонационную манеру) говорящего и характеризуют его эмоциональное состояние: сравните пассивную манеру речи человека с клиническими признаками депрессии и поток сознания возбужденного подростка. То же самое относится к музыке. Например, как указывают такие термины, как grave или allegro, медленный и быстрый темп музыки может использоваться для передачи скорби или веселья. Аналогично тому, как мы улавливаем человеческое лицо среди красочных пятен на полотнах Сера38, так мы улавливаем суть музыки или речи на основании временны́х связей между их элементами. Если вы говорите очень-очень медленно, становится невозможным уловить суть речи, а если исполняете музыкальную пьесу слишком быстро, она перестает быть музыкой (глава 5).

МОЗГ – ЭТО ПРОДУКТ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА И ПОЭТОМУ «СДЕЛАН» ТАК, ЧТОБЫ ЕГО ОБЛАДАТЕЛЬ МОГ ВЫЖИТЬ В ЖЕСТКОМ И БЕСКОНЕЧНО МЕНЯЮЩЕМСЯ МИРЕ. ВЫЯСНЯЕТСЯ, ЧТО ЛУЧШИЙ СПОСОБ ПРЕУСПЕТЬ В ЭТОМ МИРЕ – НАУЧИТЬСЯ ПРЕДУГАДЫВАТЬ, ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ В БУДУЩЕМ И КОГДА. ПОЭТОМУ МОЗГ – ЭТО МАШИНА, КОТОРАЯ И ПРЕДУГАДЫВАЕТ БУДУЩЕЕ, И ОПРЕДЕЛЯЕТ ВРЕМЯ.

Измерение времени – не то же самое, что осознание течения времени. Сознание работает слишком медленно, чтобы обнаруживать паузы между словами в реальном времени или выбрать момент, когда пора ловить падающий мяч. Но во временном диапазоне от нескольких секунд мы уже отдаем себе отчет не только в том, что время идет, но и в том, сколько именно времени прошло между теми или иными событиями. Мы осознанно можем предугадать, когда красный сигнал светофора сменится на зеленый. Мы понимаем, что телереклама вот-вот закончится, и возобновится спортивная передача. И мы буквально считаем секунды, пока человек в очереди перед нами не может решить, брать ли ему жареную картошку.

***

Мозг – это продукт естественного отбора и поэтому «сделан» так, чтобы его обладатель мог выжить в жестком и бесконечно меняющемся мире. Выясняется, что лучший способ преуспеть в этом мире – научиться предугадывать, что произойдет в будущем и когда. Поэтому мозг – это машина, которая и предугадывает будущее, и определяет время. Мозг отсчитывает время в диапазоне свыше 12 порядков величины – от минимального интервала времени, с которым звук доходит до левого и правого уха, до смены времен года.

Часы окружают нас со всех сторон: они у нас на запястье, в телефоне, в машине, в приборах, на стенах и в компьютерах. Но выясняется, что часы существуют не только снаружи, но и внутри нас. Головной мозг и тело человека и других животных умеют определять время: даже отдельная клетка печени может сообщить, какое сейчас время суток. Но как мозг определяет время? Какая часть мозга выполняет эту функцию? Теперь мы знаем, что на эти вопросы есть несколько ответов. Эволюция снабдила мозг множеством механизмов для определения времени. Этот подход (разные часы для разных временны́х интервалов), который я буду называть принципом множественности часов, отличается от нашего подхода к изготовлению часов. Даже самые простые наручные часы могут достаточно точно отсчитывать сотые доли секунды, секунды, минуты, часы, дни и месяцы. Но сети нейронов головного мозга, узнающие ритм Пятой симфонии Бетховена, не имеют часовой стрелки, как не имеют секундной стрелки сети нейронов, регулирующие циклы сна и бодрствования. Возможно, на первый взгляд это противоречит интуиции, но, учитывая важнейшую роль времени для всех аспектов поведения и познания, а также разный набор стоящих перед мозгом временны́х проблем, такой «множественности часов» как раз и следовало ожидать.

3:00 ДЕНЬ И НОЧЬ

Было бы неплохо, если бы мы смирились с фактом, что время – одна из тех вещей, которым мы, вероятно, не сможем дать определение… Действительно важно не то, как мы определяем время, а то, как мы его измеряем.

РИЧАРД ФЕЙНМАН

Одна из самых незначительных загадок науки заключается в том, почему мыши любят крутить колесо. Каждый владелец домашней крысы или мыши, также, как и любой человек, наблюдавший за этими животными в зоомагазине, наверняка видел, с каким энтузиазмом они бегают в колесе. Что заставляет их бежать? Маловероятно, что этим беднягам просто нечего делать. Люди рассказывают, что видели диких мышей, бегающих в старом колесе, брошенном в гараже, или лабораторных крыс, убегавших из клеток только для того, чтобы залезть на колесо. Эти забавные истории подкрепляются результатами экспериментов, в которых биологи расставляли крутящиеся колеса в местах естественного обитания грызунов и снимали происходящее скрытой камерой. Ученые наблюдали, как дикие мыши взбирались на колесо, спрыгивали с него, а потом залезали вновь39. Как подростки, которые тратят с трудом заработанные деньги на игровые автоматы, так и грызуны готовы «поработать» за возможность побегать в колесе. А если к колесу прикрепляют тормоза, крысы нажимают на рычаг, чтобы отсоединить тормоза и разогнаться40. У этого занятия есть даже темная сторона. Если крыс ограничивают в пище, бег в колесе может быть опасен для их здоровья. Находящиеся на диете крысы бегают в колесе гораздо активнее по сравнению с нормально питающимися крысами, не имеющими свободного доступа к колесу; в результате у них возникают дополнительные проблемы со здоровьем, и повышается уровень смертности41.

Сможем мы разгадать эту маленькую тайну или нет, но маниакальное желание мышей, крыс и хомяков побегать в колесе помогло нам сильно продвинуться в понимании того, как мозг определяет время, по крайней мере, время суток. Представленный на рис. 3.1 график называется актограммой42 и отражает движение мыши в колесе. Каждый раз, когда колесо совершает полный круг, прибор рисует вертикальную черточку. Для наглядности и во избежание промежутков на графике данные для следующего дня показаны справа и внизу по отношению к данным каждого текущего дня. Черно-белая полоска вверху отражает 24-часовой цикл с включенным и выключенным светом. Мыши и крысы – ночные животные, поэтому они предпочитают бегать в колесе ночью, но в лаборатории их «ночь» может быть нашим днем, т. к. биологи часто изменяют световой цикл животных, чтобы студентам не приходилось работать по ночам. Судя по графику, как только выключают свет, мыши забираются на колесо и начинают бегать, спрыгивая и вновь возвращаясь на протяжении всей ночи. Через несколько дней после начала эксперимента ученые полностью отключали свет. Но, как следует из графика, даже при отсутствии внешних сигналов относительно времени суток мыши продолжали следовать обычному суточному ритму со сменой активности и покоя. Однако в полной темноте происходило что-то интересное: длительность суточного цикла изменялась от привычных 24 ч до чуть более короткого периода; это видно по постепенному сдвигу графика влево. Таким образом, по крайней мере у мышей, цикл сна и бодрствования не соответствует в точности 24 ч.