Человеческий мозг обрабатывает течение времени в три различных этапа

Фото из открытых источников

Недавнее исследование, посвященное картированию человеческого мозга, показало, что наше восприятие времени происходит не мгновенно, а в несколько отдельных этапов физической обработки. По мере того, как визуальная информация передается из задней части мозга в переднюю, различные группы нейронов обрабатывают определенные части процесса определения времени, в конечном итоге формируя наше субъективное восприятие продолжительности события. Эти результаты были опубликованы в журнале PLOS Biology.

На протяжении десятилетий исследователи составляли карту обширной сети областей мозга, которые активируются, когда люди оценивают прошедшее время. Исследования с участием животных и людей показали, что определенные группы нейронов реагируют на определенные промежутки времени.

Эти специализированные клетки часто располагаются в виде топографических карт по всему мозгу. На этих картах нейроны, предпочитающие схожие промежутки времени, физически расположены близко друг к другу на складчатом внешнем слое мозга, известном как кора головного мозга.

Несмотря на то, что местоположение этих временных областей известно, исследователям до сих пор не удавалось точно понять, как они взаимодействуют. Оставалось неясным, как физическая характеристика, такая как длительность вспышки света, преобразуется в абстрактное ощущение течения времени.

Чтобы собрать воедино эту головоломку, нейробиолог Валерия Чентанино и ее коллеги Джанфранко Фортунато и Доменика Буэти из Международной школы перспективных исследований в Италии провели исследование с использованием методов нейровизуализации. Они хотели отследить, как изменяются свойства нейронов, отслеживающих время, по мере распространения сигналов в мозге.

Исследователи привлекли тринадцать здоровых добровольцев для выполнения задания по визуальной категоризации. Сначала участников обучили запоминать определенную эталонную длительность в полсекунды, которую они использовали в качестве мысленного ориентира.

В ходе основного эксперимента добровольцы наблюдали за серией размытых, мерцающих кругов, появляющихся на экране. Каждый круг оставался на экране в течение случайного промежутка времени, варьирующегося от двух десятых секунды до восьми десятых секунды.

После исчезновения каждого круга участники нажимали кнопку, чтобы указать, оставалась ли фигура видимой дольше или короче, чем их внутренний эталон. Пока добровольцы выполняли это задание, исследователи регистрировали активность их мозга с помощью магнитно-резонансного томографа сверхвысокого поля.

Функциональная магнитно-резонансная томография — это технология, которая измеряет активность мозга путем обнаружения изменений кровотока. Когда определенная область мозга работает интенсивнее, ей требуется больше кислорода, и сканер отслеживает приток обогащенной кислородом крови к этой области.

В этом исследовании использовался сканер с напряженностью магнитного поля в семь Тесла. Это значительно сильнее, чем у стандартных больничных сканеров, что позволяет команде получать очень подробные изображения поверхности мозга.

Используя эти подробные изображения, Чентанино и ее команда смоделировали поведение отдельных популяций нейронов. Они искали унимодальную настройку, которая происходит, когда группа клеток мозга наиболее сильно реагирует на один конкретный стимул и менее сильно на все остальное.

Исследователи обнаружили, что способ восприятия времени нейронами меняется в зависимости от их расположения в мозге. Они выделили три различных этапа обработки информации, которые формируют иерархию восприятия времени.

Первый этап происходит в затылочных зрительных областях, расположенных в задней части головы, где мозг впервые обрабатывает зрительную информацию. Здесь нейроны действовали как простые таймеры, собирая сенсорную информацию от глаз.

В этих зрительных областях клетки мозга демонстрировали явное предпочтение наиболее длительным промежуткам времени. Их активность неуклонно возрастала по мере того, как фигура оставалась на экране, кодируя физическую продолжительность визуального события.

Второй этап происходит в теменной и премоторной областях, расположенных в верхней и средней части головного мозга. В этих областях исследователи наблюдали полную топографическую карту времени.

Нейроны в этих средних областях были настроены на весь диапазон предъявляемых длительностей. Некоторые группы клеток реагировали только на короткие вспышки, в то время как другие реагировали только на средние или длительные появления.

Эти специализированные клетки были аккуратно организованы в кластеры в зависимости от предпочитаемой ими длительности. Это позволяет предположить, что теменная и премоторная области отвечают за считывание конкретной длительности визуального события, позволяя мозгу точно отслеживать, сколько времени только что прошло.

Заключительный этап происходит в лобных областях мозга, включая переднюю часть островковой коры и ростральную дополнительную моторную область. Эти области активно участвуют в сложном мышлении, принятии решений и самосознании.

В этих лобных областях нейроны не представляли весь временной диапазон. Вместо этого они демонстрировали явное предпочтение середине временного диапазона, которая была близка к запомненной участниками полусекундной эталонной длительности.

Это центральное предпочтение представляло собой границу, которую участники использовали для определения того, является ли продолжительность короткой или длинной. Отслеживая точное время, когда участники меняли свои ответы с «короче» на «длиннее», исследователи рассчитали уникальную субъективную границу каждого человека.

Активность в этих лобных областях идеально совпадала с этими субъективными границами. Это указывает на то, что лобные области берут исходное измерение времени и превращают его в личную, абстрактную категоризацию.

«Наши результаты показывают, что восприятие времени — это не единый процесс, а результат множества этапов обработки информации, распределенных по всей коре головного мозга», — пишут авторы. «Каждый этап вносит свой вклад по-разному, от кодирования физической длительности до формирования субъективного восприятия времени».

Для интерпретации данных сканирования мозга исследовательская группа использовала математический подход, называемый моделированием рецептивных полей популяции. Эта методика позволила им точно оценить временные предпочтения нейронов в крошечных участках мозга.

Составив карту этих предпочтений, команда смогла точно определить, в каких мозговых складках находятся нейроны, настроенные на короткие промежутки времени, а в каких — на более длительные периоды. Они также оценили, как эти предпочтения физически группируются вместе.

В зрительных областях задней части мозга физическое скопление клеток, чувствительных ко времени, было относительно слабым. Однако в теменной и лобной областях нейроны с абсолютно одинаковыми временными предпочтениями были сгруппированы очень плотно.

Такая тесная группировка подразумевает, что организация времени в структурированные карты становится все более важной по мере того, как мозг переходит от простого восприятия события к принятию решения на его основе. Мозг физически структурирует свои клетки, чтобы справляться с требованиями категоризации информации.

Кроме того, исследователи заметили разницу между левой и правой сторонами мозга в двигательных областях, контролирующих физические движения. Поскольку участники использовали правую руку для нажатия кнопок ответа, двигательные области левого полушария демонстрировали различные паттерны активности.

Эти двигательные области неизменно демонстрировали предпочтение как можно более коротким промежуткам времени. Исследователи предполагают, что это было побочным продуктом подготовки мозга к совершению физического движения сразу после появления фигуры, а не истинным измерением прошедшего времени.

Ещё одна удивительная деталь обнаружилась в дополнительной двигательной области — части мозга, расположенной в верхней части головы и отвечающей за планирование движений. Исследователи выявили явное различие в том, как передняя и задняя части этой области обрабатывают информацию о времени.

Задняя половина дополнительной моторной области содержала клетки, настроенные на весь диапазон длительностей, считывая время подобно секундомеру. Передняя половина содержала граничные клетки, которые помогали классифицировать время как короткое или длинное.

Подобное разделение в пределах одной области мозга ранее наблюдалось в исследованиях на животных. Обнаружение этого явления у людей позволяет предположить, что эта конкретная область может выступать в качестве центрального узла, где интегрируются фактическое и субъективное время.

Хотя это исследование с использованием методов нейровизуализации дает подробную карту визуального восприятия времени, оно имеет несколько ограничений. Исследование было полностью сосредоточено на коре головного мозга, которая представляет собой складчатый внешний слой мозга.

Исследовательская группа не измеряла активность в более глубоких структурах мозга или мозжечке, которые, как известно, также играют роль во времени обработки информации. В будущих исследованиях необходимо будет изучить эти более глубокие области, чтобы понять, как они взаимодействуют с кортикальными картами.

Эксперимент также ограничивался визуальным восприятием времени. Остается открытым вопрос, использует ли мозг тот же самый путь для обработки длительности звуков или физических прикосновений.

Для полного понимания роли нейронов, определяющих границы восприятия в лобной доле, исследователи предлагают провести эксперименты с использованием нескольких различных длительностей опорного сигнала. Это позволит выявить, изменяют ли клетки, определяющие границы восприятия, свои предпочтения физически при изменении правил задачи.

Несмотря на эти ограничения, исследование дает более ясное представление о том, как простая вспышка света превращается в осознанное восприятие времени. Оно показывает, что наше ощущение времени — это результат совместной работы, передаваемой по специализированному конвейеру внутри головы.