Мозг может использовать несколько внутренних часов для отсчета времени

Фото из открытых источников

Новое исследование на мышах показало, что мозг не работает на основе единых внутренних часов. Две области мозга, отслеживающие течение времени, могут оставаться синхронными или расходиться. Они переключаются между общим и разрозненным восприятием времени в зависимости от момента. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Это открытие меняет представление нейробиологов о координации движений в головном мозге. Отдельные участки мозга могут фиксироваться на одном и том же моменте времени, когда действуют как единое целое, или вести отдельные подсчеты, когда отслеживают разные события.

Для понимания процесса можно представить себе оркестр. Вместо одного дирижера, отбивающего ритм для всего оркестра, разные секции могут поддерживать свой собственный темп, оставаясь при этом скоординированными. Исследователи говорят, что разные области мозга, по-видимому, работают аналогичным образом, разделяя чувство времени, когда это необходимо, и одновременно поддерживая собственный внутренний ритм. Когда этот баланс нарушается, может пострадать координация между областями мозга — проблема, характерная для ряда неврологических заболеваний.

Отслеживание времени лежит в основе практически всех функций мозга. Ощущение прошедшего времени направляет движения, планирование, память и повседневные решения.

На протяжении десятилетий исследователи задавались вопросом, откуда берется чувство времени. Возможно, один центральный регион отсчитывает время для всего мозга. Или, возможно, каждый регион ведет свой собственный отсчет, когда это необходимо.

Всё больше данных указывает на вторую идею. Вместо одних главных часов мозг, по-видимому, формирует своё ощущение времени на основе сетей, разветвлённых по многим областям. Проверить, как эти разрозненные часы поддерживают координацию, оказалось непросто. Это означает одновременную регистрацию активности множества нейронов в нескольких областях мозга. И животное должно выполнять задачу, которая действительно зависит от синхронизации.

Риитиро Хира из Токийского научного института (Science Tokyo) и его коллеги разработали подобную задачу. Они обучили пять мышей ожидать появления капли воды с интервалами от 6 до 12 секунд. После достаточной практики мыши уловили ритм. Они начинали облизывать добычу в предвкушении непосредственно перед каждой наградой, подстраивая свои действия под соответствующий интервал времени.

После того как мыши освоили задание, команда наблюдала за работой их мозга. Используя кальциевую визуализацию, которая заставляет активные нейроны светиться под микроскопом, они одновременно регистрировали активность тысяч клеток в двух областях мозга.

Эти две области расположены на верхней поверхности головного мозга мыши. Одна из них находится ближе к передней части, в моторной коре, в участке, связанном с планированием движений. Другая часть расположена дальше, в задней теменной коре, и помогает объединять ощущения и удерживать информацию в памяти.

В обоих регионах нейроны активировались последовательно. Разные клетки достигали пика активности в разные моменты времени, одна за другой, охватывая весь интервал. Такие смещенные пики являются распространенным способом, с помощью которого нейронные цепи отмечают прошедшее время. Учёные уже знали, что оба отдела мозга кодируют время. Но никто раньше не наблюдал, как эти два отдела делают это одновременно, секунда за секундой, у одного и того же животного.

Чтобы проверить, совпадают ли временные параметры в разных регионах, программное обеспечение определяло, в какой точке интервала времени отслеживал каждый регион, основываясь исключительно на его нейронной активности. Затем исследователи сравнили эти оценки с реальным прошедшим временем.

Иногда только один участок мозга терял счет времени. В других случаях оба участка одновременно совершали одну и ту же ошибку. Позже исследователи назвали эти ошибки «независимыми» и «когерентными».

Независимые ошибки встречались примерно в два раза чаще, чем согласованные. Удивительной оказалась стабильность этого баланса. У каждой мыши соотношение оставалось близким к двум к одному, практически не меняясь от животного к животному. Эта закономерность говорит о том, что разделение не было случайным. Два региона не связаны между собой и не полностью разделены. Они занимают фиксированную промежуточную позицию, и задача никогда не подталкивала их к этому.

До этого исследования баланс между совместным и раздельным восприятием времени не измерялся напрямую. По-видимому, он заложен в самой коре головного мозга.

Если два региона координируют свое восприятие времени, значит, между ними что-то должно передаваться. Команда исследовала активность, общую для обоих регионов, и задалась вопросом, что она несет. Такая структура соответствует более широкой идее о том, как области мозга взаимодействуют друг с другом. Более ранние исследования предполагали, что области мозга обмениваются лишь небольшой частью обрабатываемой ими информации. Это исследование подтверждает эту идею. Самый сильный сигнал, передаваемый между двумя областями, отражал движение, в то время как информация о времени распределялась по множеству более слабых сигналов.

Таким образом, общий сигнал тактирования — это не один громкий сигнал. Это слабое согласие, распределенное по множеству небольших каналов. Из-за этого его легко пропустить, и трудно отключить все сразу.

Чтобы выяснить, что может привести к такому балансу, команда обратилась к нейронным сетям. Они создали две модельные схемы, по одной для каждого региона. Они соединили две модельные цепи всего несколькими звеньями, используя примерно одно из тысячи возможных соединений на большие расстояния. Обе цепи также подвергались одинаковой медленной, дрейфующей фоновой активности.

Эти колебания не были придуманы специально для этой модели. В более раннем исследовании была зафиксирована активность по всему мозгу. Было обнаружено, что медленная, охватывающая весь мозг активность, связанная с движениями животного, распространяется одновременно по многим областям. Команда внедрила подобный общий дрейф в свои нейронные сети.

Сеть близнецов воспроизвела то, что демонстрировали мыши, включая соотношение два к одному между независимыми и согласованными ошибками. Разбор модели позволил понять, почему это произошло. Разреженные соединения помогали двум цепям работать согласованно, а общая фоновая активность предотвращала их полное дублирование.

«Мы обнаружили, что слабая межрегиональная связь способствует синхронизации между двумя регионами, в то время как широко распространенные колебания препятствуют полной синхронизации, позволяя каждому региону сохранять собственное временное представление», — сказал Хира.

В итоге складывается картина мозга, который всегда готов к любому режиму работы. Два региона могут использовать одни и те же часы, когда им нужно работать как единое целое. Они могут использовать разные часы, когда им нужно отслеживать разные события. Для поддержания этого баланса достаточно двух простых составляющих: разреженной проводки и общего шума. Аналогичный компромисс наблюдается и в инженерной практике.

В робототехнике и искусственном интеллекте ценна система, которая сохраняет гибкость и стабильность. В этих областях жесткая координация, как правило, оказывается ненадежной. Кора головного мозга мыши справляется с обеими задачами одновременно, и теперь есть предполагаемый рецепт того, как это происходит.

Нарушение баланса может также сказаться на работе мозга, находящегося в дисбалансе. Некоторые неврологические и психиатрические заболевания связаны с нарушением координации в определенных областях. Более четкое понимание того, как здоровые области мозга поддерживают синхронность, дает исследователям более конкретную цель для изучения.

«В будущем наши результаты могут способствовать лучшему пониманию когнитивных процессов, неврологических расстройств, связанных с нарушением межрегиональной координации, а также разработке искусственного интеллекта, вдохновленного работой мозга, и систем управления роботами, сочетающих стабильность и гибкость», — сказал Хира.

Вместо того чтобы следовать указаниям одного дирижера, мозг, возможно, работает скорее как оркестр. Различные секции могут на короткое время сохранять свой собственный ритм, продолжая при этом играть вместе, что обеспечивает мозгу как стабильность, так и гибкость.