我們對時間的感知,為何時快時慢?

時快時慢的時間
時快時慢的時間

時快時慢的時間

我們對時間的感知,並不是恆定的:有時,我們覺得時間過得飛快;有時,幾分鐘就感覺像是幾小時。從亞里士多德對時間本質的思考到愛因斯坦的相對論,古往今來,人類一直在思考這樣一個問題:我們是如何感知和理解時間的

其實,我們對於控制著生物節律,決定什麼時候疲倦,什麼時候醒來,以及24小時的新陳代謝的生物鐘,已經非常熟悉。相比而言,我們對於身體是如何在秒到分鐘的尺度上測量時間的,卻知之甚少,而我們的大部分日常行為活動,都是在這個時間尺度上展開的。

在一項新發表於《自然·神經科學》雜誌的研究中,一組神經科學家通過人為地減緩或加快大鼠的神經元活動模式,扭曲了它們對時間長度的判斷,證實了在測量較小的時間尺度時,一個名為紋狀體的腦區中的神經元活動至關重要

紋狀體中的神經元活動

與計算機中能精確計時的時鐘不同,人類的(brain)保持著一種靈活的時間感,這被認為是由分散在腦中的神經網路的動態形成的。論文的通訊作者Joseph Paton將這種動態比作將一塊石頭扔進池塘,每一次石頭落下,都會在水面產生重複的向外輻射的波紋。通過觀察這些波紋的模式和位置,就可以推斷出石頭落水的時間和地點。

就像池塘中的波紋的移動速度是可以改變的一樣,這些神經元的活動模式的進展速度也可以改變。為了證明了這些神經「波紋」的演化快慢,與受時間影響的決策存在密切關聯,研究人員對實驗室的大鼠進行了訓練,讓它們可以區分不同的時間間隔

在實驗中,他們讓口渴的大鼠如果在收到一個聲音信號後等待一段時間,就可以得到一滴水作為獎勵。根據信號,它們需要判斷一段時間是長於1.5秒還是短於1.5秒。與此同時,研究人員還會在進行這些訓練時測量大鼠的紋狀體的活動。

紋狀體是大腦(cerebrum)基底神經節中與運動控制有關的一部分,在過去的研究中,它被認為與受時間影響的決策有關。的確,通過實驗,研究人員發現如果大鼠對一段時間間隔的估計更長,紋狀體中的神經元活動就會變得更快;如果對一段時間間隔的估計更短,紋狀體中的神經元活動就會變得更慢

用溫度解密時間

然而,相關性並不等同於因果聯繫。為了測試這種相關性是否基於因果聯繫,研究人員需要一種方法能使研究人員在這些大鼠進行時間估計的同時,實驗性地操縱這些動態。他們將目光投向了神經科學家工具箱中的一項「傳統技藝」——溫度操控

他們設計了一種小型的可用來局部加熱或冷卻紋狀體熱電裝置,然後將這種裝置植入經受過訓練的大鼠體內。

首先,他們採用了光控遺傳修飾技術(利用光來刺激特定的細胞),讓處於麻醉狀態下的大鼠的紋狀體中產生神經元波。測量結果表明,神經元的波速在加熱時會增加,在冷卻時會減慢。換句話說,溫度給了研究人員一個旋鈕,讓他們可以拉伸或收縮神經元活動。

接著,他們將這種操作與行為實驗結合在了一起,讓大鼠對兩個音之間的時間間隔是短於1.5秒還是長於1.5秒進行判斷。這次的測量結果表明,當冷卻紋狀體時,大鼠更可能將時間間隔估計得更短;當加熱紋狀體時,更有可能估計得更長

兩種腦系統

令人驚訝的是,研究人員發現,雖然紋狀體可以協調運動控制,減慢或加快其活動模式,但這並沒有相應地減慢或加快大鼠的動作。這讓他們更深入地思考了行為控制的本質。

即使是最簡單的生物,在控制運動方面也面臨著兩個基本挑戰。第一,它們必須從不同的可能行動中做出選擇,比如是前進還是後退。第二,一旦決定採取一個行動,它們就需要能夠不斷地對其進行調整和控制,以確保有效地執行這一行動。這些基本挑戰適用於從蠕蟲到人類的所有生物。

新的研究表明,紋狀體對於解決第一個挑戰——決定「做什麼」和「什麼時候」做——至關重要,而第二個挑戰——「如何」控制正在進行的運動——則被留給了其他的腦結構。

因此,在另一項研究中,這一研究團隊操縱了小腦(cerebellum)的溫度。小腦容納了腦中一半以上的神經元,它也參與控制運動,與我們每時每刻的連續行動有關。他們的初步資料顯示,有別於紋狀體,對小腦施以溫度控制,的確會影響持續的運動控制

其實,在帕金森病和小腦性共濟失調等運動障礙中,我們就能看到這兩個腦系統之間的分工。帕金森病是一種影響紋狀體的疾病,往往會使患者自主發起運動(比如行走)的能力受損。但是提供感官暗示,比如地面上的膠帶線,就可以促進行走。這些暗示可能涉及其他腦區,比如小腦和皮層,只要這些區域仍然完好無損,就可以有效地管理持續的運動。而相比之下,患有小腦損傷的患者則很難完成平穩、協調的動作,但他們未必不能完成動作的啟動或轉變。

未來的方向

研究人員認為,新的研究結果或許能推動帕金森病和亨廷頓病等衰竭性疾病的新治療靶點的開發,這些疾病涉及與時間相關的症狀和紋狀體受損。

然而,還有很多謎團有待解開。在未來的研究中,研究人員希望能夠找出是什麼腦回路創造了這些計時的活動漣漪?它們又是是如何幫助我們對環境做出反應的?要想解答這些問題,研究人員還需要更多的時間。

#創作團隊:

撰文:糖獸

排版:雯雯

#參考來源:

https://fchampalimaud.org/news/timekeeper-within-new-discovery-how-brain-judges-time

https://www.nature.com/articles/s41593-023-01378-5

#圖片來源:

封面圖:chenspec / Pixabay

首圖:Hedi Young & Stable Diffusion via Champalimaud Foundation

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