寻找大脑内部的时钟

来自波士顿大学的一项研究表明我们的大脑可能使用同一群神经元来表征时间和空间,论文发表在《神经》(Neuron)上,该项研究是约翰·奥基夫等人的空间定位细胞研究的延续,而约翰·奥基夫等人2014年凭借空间定位细胞得了诺贝尔生理及医学奖。

我们的大脑具有非凡的监测时间的能力。一个司机可以准确地判断黄灯变红前还剩下多少时间够闯过去,一个舞者能够保持同一个节奏到毫秒精度。但大脑究竟如何追踪记录时间仍是个谜。研究者们已经定位了跟运动,记忆,颜色视觉以及其它功能相关的脑区,却并未发现感知时间的。事实上,我们的神经计时器已经难以捉摸到了这种地步,大多数科学家都认为这种机制是分布在整个大脑的,不同的脑区有不同的监测器以根据各自需要来追踪记录时间。

在过去的几年里,一些研究者获得了越来越多的证据,表明那些监测个体在空间中位置的细胞同时也对时间的流逝进行标记。这意味着以在记忆和空间定位方面扮演重要角色而著称的海马体(hippocampus)和内嗅皮层(entorhinal cortex)同时也起到某种计时器的作用。

在十一月发表的一项研究中,波士顿大学的神经科学家Howard Eichenbaum及其合作者表明,构成大鼠脑内GPS系统的细胞的可塑性好于预期。这些细胞被称作网格细胞(grid cells),它们有着典型行为方式,类似于航位推算法(译者注:知道当前时刻位置的条件下,通过测量移动的距离和方位,推算下一时刻位置),即当大鼠位于某个特定的位置时,某些特定的神经元会发放动作电位。(做出这一发现的科学家分享了2014年的诺贝尔奖)。Eichenbaum发现,当大鼠被保持在原地,譬如当它跑步机上跑动时,这些细胞对距离和时间都进行追踪记录。这项工作显示大脑对空间和时间的感知是相互交织的。

这些发现有助于拓展我们对大脑的记忆和导航系统工作机制的理解。或许网格细胞(grid cells)和其他类似GPS的细胞都不仅响应空间变化,而且能够编码任何相关的性质:时间,气味,甚至味道。「这可能指向海马体的一个很宽泛的功能,」加州大学旧金山分校研究记忆和海马体的神经科学家Loran Frank这样说道。「它找出编码经历的关键神经元群体,随后把经历映射到其上。」

接下来这些映射构建起记忆的框架,为我们永不止歇地流淌着的过去经验提供一个组织系统。「海马体就是记忆在时间和空间中了不起的组合者, 」Eichenbauma说,「它提供一个时空框架,其他的事件都在这个框架下发生。」

为了研究海马体如何监测时间,科学家们让大鼠在滚轮或小跑步机上跑动。 这种装置能够让大鼠的位置和行为保持恒定,使研究者得以专注于跟时间相关的神经信号。(大鼠总是烦躁,无法静止不动,因此跑动有助于排除它们平时焦躁不安的行为的干扰。)当不同细胞发放动作电位时,深深植入在脑中的电极会记录到它们。

在Eichenbaum的实验中,大鼠在跑步机上跑动一定长的时间,譬如说15秒,随后获得奖励。在一次次重复的过程中,它的大脑学习追踪记录这个15秒的时间间隔。一些神经元在第一秒发放,另一些在第二秒,以此类推,直到15秒结束。「每个细胞会在跑动时间中的不同时刻发放,直到它们填满整个时间间隔,」Eichenbaum说道。这种编码相当精确,研究者们能够通过仅仅观察哪些细胞是活跃的来预测动物在跑台上跑了多久。Eichenbaum的团队也在不同的跑步机速度下重复了这些实验,以确认这些细胞并不是在简单地标记跑动的距离。(一些细胞的确也追踪距离,但有一些似乎完全只跟时间有关。)

这些细胞的行为酷似秒表—每次你开始计时,同样神经活动模式就出现。

这些被叫做「时间细胞(time cells)」的神经元显然能够标记时间,然而它们是如何做到这一点的尚不清楚。这些细胞的行为酷似秒表——每当你开始计时,同样的神经活动模式就会出现。当研究者们改变实验条件,譬如说把跑动的持续时间从15秒增加到30秒时,海马体中的细胞就会创造一个新的发放模式填满这个新的时间区间。这就设置秒表来适应各种不同的时间尺度。

此外,时间细胞的活动依赖于情景。当动物面临时间起重要作用的情况时,这些细胞才标记时间。当其他变量起作用时,这些细胞的表现就会不同。比如说,我们让老鼠去探索一个新环境,这些时间细胞就会映射到空间上去(而非时间);单个特定的时间细胞会被动物所处的特定位置激活,而不是在特定的时间激活。

所以,Eichenbaum的工作与神经科学15年来研究趋势契合,显示出海马比科学家预期的更加多能。传统研究认为它可以绘制方位图(40年前发现了位置编码细胞),但越来越多的证据表明,它也可以编码其他类型的信息。最新的研究图景表明,位置细胞不仅能映射空间,还对应其它相关的变量。包括时间,还有其它可能。比如根据Frank的说法,「品酒师(的海马)或许有酒的味道和气味的编码空间。」

但许多科学家仍把海马大体上视作空间结构。按照他们的观点,其神经环路经过演化适合追踪记录位置,其它信息都只是记录空间位置的基础上。加州大学尔湾分校的神经科学家Bruce McNaughton说:「海马体所提供的编码,在本质上是空间性质的。」

虽然Eichenbaum的发现挑战了这一观点,他们并不回避。「我们能明确的是,位置细胞可以代表空间之外的信息,」约翰霍普金斯大学的神经科学家David Foster说。「但不那么清楚的是,他们是否可以编码单纯的时间流逝。」

在计时的跑步机实验中,大鼠似乎在做计数之类的事情。但这些细胞是否标记了时间本身的流逝,还是对仅仅看起来像时间的什么东西做出反应?「我们不知道什么原理驱使细胞在特定的时刻被激活,但我不认为是由于时间,」Eva Pastalkova说,她是霍华德休斯医学研究所Janelia研究园区的神经科学家(弗吉尼亚州)。「因为这不够精确,它们不像是滴答作响的时钟。」

「大脑中有没有神经元专门负责记录时间?」

György Buzsáki是纽约大学神经科学研究所的神经科学家,他的实验室做了不少开创性的实验,探索海马体如何追踪记录时间。他提出,这些细胞不是在检测时间,可能只是在做其它的事,比如回忆一条穿过迷宫的路,或者计划下一步行动。回忆和打算未来都是在时间维度上进行的,所以时间细胞可能只是在反映这种精神活动。

「我认为这是头等问题:大脑中有没有神经元专门负责记录时间,不干别的?」György Buzsáki说,「还是说,所有的神经元的运作都能按照序列发生,在此实验中这些功能可以被理解成时间?」

附论文摘要:

在跑动过程中,网格细胞整合逝去的时间和跑过的距离

论文作者:Kraus BJ, Brandon MP, Robinson RJ 2nd, Connerney MA, Hasselmo ME, Eichenbaum H.

网格细胞的空间尺度可以由自身产生的运动信息提供,或者是来自从外部环境的感觉信息。为了确定网格细胞的活动是否与外界信息无关的反映了跑过的距离或着逝去的时间,我们记录了跑步机上跑动的大鼠脑中网格细胞的活动。此时,网格细胞的活动受到位置影响应该很微弱,但同一组电极上记录到的大多数网格细胞和其它神经元大批强烈地反映了距离和时间的组合,也有一些仅反应距离或时间。比起非网格细胞,网格细胞受时间和距离的调谐更为强烈。在跑步机上运行时,许多网格细胞表现出多个放电域,同时也观察到其周期性的激活,提示存在一种共同的信息处理模式。这些观察结果表明,在没有外部动态线索的情况下,网格细胞整合自身产生的距离和时间信息以编码表征经验。

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