Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени - Алан Бёрдик

Иногда нейробиологи называют нейроны детекторами совпадений. Нейрон постоянно получает малые толики возбуждающих импульсов – исходные параметры входящих сигналов от вышерасположенных нейронов. Однако нервная клетка готова прийти в возбужденное состояние только после того, как капля превратится в поток, то есть приняв большое количество импульсов одновременно. Тут вам, вероятно, захочется уточнить, что значит «одновременно» в данном масштабе; что такое «сейчас» в представлении нейрона? Клетка мозга функционирует на манер водяных часов. Нейромедиаторы восходящих синапсов прикрепляются к мембране нейрона, изменяя конформацию канального белка и впуская ионы в цитоплазму. Обычно внутрь клетки попадают ионы калия, несущие слабый положительный заряд, в результате чего начинается процесс деполяризации нейрона. Когда уровень деполяризации достигнет критической отметки, нейрон приходит в возбужденное состояние; чем быстрее поступают входящие сигналы, тем быстрее поднимается волна ионов. Однако в водяных часах есть дыры: ионы просачиваются через поры в клеточных мембранах, что увеличивает число ионов, одновременно выталкиваемых наружу клеточным насосом. «Процесс возбуждения легко моделируется с помощью надтреснутого винного бокала на тонкой ножке и кошерного вина марки Manischewitz, – сообщил мне один ученый. – Если быстро влить в бокал достаточное количество вина, ножка треснет, а в противном случае вы отделаетесь парой капель на скатерти».

Тем не менее «сейчас» длится довольно долго, если судить по времени, за которое подступающая волна ионов обгоняет наличествующий поток. Динамичное временное окно в значительной степени контролируется клеткой. Ионные насосы нейронов могут работать быстрее или медленнее, а число ионных каналов на клеточной мембране определяется ДНК нейрона. Кроме того, нейрон дифференцирует по приоритетности нервные импульсы, поступающие по восходящим путям: сигнал, поступающий от отдаленных нейронов, по дендритам, затухает быстрее во время прохождения по аксону; по этой причине их вклад в возбуждение, вероятно, менее значим. «Нейроны представляются мне одиночными вычислительными агрегатами, – пояснил Мэтелл. – В процессе вычислений они связывают данные, выраженные в потенциалах действия, во времени и пространстве». Далее Мэттел рассказал, что он задает своим студентам вопрос, сформулированный в форме аналогии: как вы принимаете решение, как провести субботний вечер – пойти на вечеринку в студенческом общежитии или остаться дома и углубиться в занятия? «Вы ранжируете свои источники по степени авторитетности, – сказал Мэтелл. – Если посоветоваться с мамой, она скажет вам одно; если обратиться за советом к друзьям, они скажут другое. К тому же могут найтись и другие соображения: к примеру, ваши друзья считают, что на вечеринку следует пойти, но те вечеринки, на которых вы уже побывали, последовав их совету, вас изрядно разочаровали, и потому их мнение для вас мало что значит».

Так или иначе, «сейчас» для нейрона не равно нулю. Как и всегда, расчет затрат времени требует времени: прохождение нейромедиаторов через синаптическую щель от одного нейрона к другому занимает пятьдесят микросекунд (двадцатая доля миллисекунды или одна двадцатитысячная секунды); на деполяризацию нейрона в преддверии возбуждения уходит около двадцати миллисекунд; еще примерно десять миллисекунд затрачивается на прохождение импульса по всей длине клетки. Нейрон может возбуждаться от десяти до двадцати раз за секунду; когда группы нервных клеток периодически возбуждаются в унисон на регулярной основе, проводимые ими импульсы регистрируются в виде электромагнитных колебаний. «Основные трудности в понимании механизма восприятия времени связаны с тем, что протекающие в мозге нервные процессы осуществляются в масштабах миллисекунд», – признался Мэтелл. Как получается, что одна и та же система межнейронных связей наделяет нас способностью ориентироваться в потоке секунд, минут и часов? Одна из ранних теорий сосредоточивалась на деятельности мозжечка, фактически приравнивая последний к электросхеме с разветвленными сетями и линиями задержки, которые могут замедлять прохождение сигналов. В рамках подобной модели можно объяснить некоторые аспекты поведения, к примеру способность определять направление звуковой волны. (Мозг получает сведения о локализации звука, когда звуковой импульс достигает одного уха чуть быстрее, чем второго.) Однако постулаты данной теории едва ли применимы к восприятию интервалов, длительность которых исчисляется в секундах и минутах. Последние несколько лет Мэтелл принимает участие в разработке новой теории, рассматривающей нейросеть не как телефонную линию, а скорее как симфонию.

В 1995 году, закончив Университет штата Огайо, Мэтелл решил проходить докторантуру в Дьюкском университете. Его научным руководителем стал специалист по нейробиологии поведения Уоррен Мек, прибывший в университет из Колумбии годом ранее с намерением разобраться в нейробиологическом основании таймирования. К настоящему времени Мек подготовил две подборки данных, отчасти прояснивших суть вопроса. Первая подборка, подводящая итоги серии опытов на крысах и людях, обнаруживает, что можно создать ощущение ускорения или замедления хода времени, меняя уровень дофамина в структурах мозга. Вторая сводка, содержащая данные, полученные в результате опытов на крысах и в ходе наблюдения пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, концентрировалась на системах межнейронных связей: в случае повреждения или (у подопытных крыс) разрушения и хирургического удаления определенной области мозга, которая называется полосатым телом, индивидуум утрачивает способность к выполнению стандартных задач по расчету времени. Вскоре после прибытия Мэтелла Мек вручил своему подопечному обе сводки данных.

«Он отдал мне свои бумаги и сказал: „Ваша задача заключается в том, чтобы выяснить, как все это работает в мозге“, – поведал мне Мэтелл. – Не думаю, что он действительно надеялся получить ответ. Но я углубился в чтение научных трудов, отдавая предпочтение литературе по нейробиологии, а не по психологии».

Не прекращая говорить, Мэтелл показал мне свою лабораторию и экспериментальную установку для крыс. Каждому грызуну отводилась отдельная пластиковая клетка объемом примерно с кубический фут[58]. В каждой клетке помещался миниатюрный репродуктор, из которого порой доносился произвольно выбранный звуковой тон, также был кормопровод для гранулированного корма и три отверстия, в которые крыса могла бы просунуть мордочку. «Дыры лучше рычагов, потому что крысы любят совать повсюду свои носы», – пояснил Мэтелл. С помощью своей установки ученый обучил крыс различать временные интервалы, длительность которых он устанавливал сам. К примеру, если крыса совала нос в одну из дыр (действия грызунов фиксировались инфракрасным лучом, сканирующим каждое отверстие), тридцать секунд спустя она получала вознаграждение – одну гранулу корма. Если животное проявляло нетерпение и совалось в нору до истечения тридцати секунд, ничего не происходило; чтобы преуспеть, крысе требовалось не только сунуть морду в дырку, но и выждать нужное количество времени, запоминая длительность промежутка времени, по истечении которого можно было снова сунуть нос в дыру. В 2007 году группа исследователей из Университета штата Джорджия установила, что шимпанзе лучше справлялись с заданиями, требующими тридцатисекундного ожидания пищевого подкрепления в виде конфеты, если им предоставляли возможность отвлечься от процесса ожидания – поиграть с игрушками или полистать выпуски журналов National Geographic и Entertainment Weekly. Крысы Мэтелла коротают время, ухаживая за шерстью и принюхиваясь. «Будь они людьми, они бы, наверное, вытащили смартфоны и принялись бороздить интернет», – предположил Мэтелл.