本图由Pete Linforth在Pixabay上发布。 在测量较小的时间尺度时，一个名为纹状体的脑区中的神经元活动至关重要。
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我们对时间的感知，并不是恒定的：有时，我们觉得时间过得飞快；有时，几分钟就感觉像是几小时。从亚里士多德对时间本质的思考到爱因斯坦的相对论，古往今来，人类一直在思考这样一个问题：我们是如何感知和理解时间的？
其实，我们对于控制着生物节律，决定什么时候疲倦，什么时候醒来，以及24小时的新陈代谢的生物钟，已经非常熟悉。相比而言，我们对于身体是如何在秒到分钟的尺度上测量时间的，却知之甚少，而我们的大部分日常行为活动，都是在这个时间尺度上展开的。在一项新发表于《自然·神经科学》杂志的研究中，一组神经科学家通过人为地减缓或加快大鼠的神经元活动模式，扭曲了它们对时间长度的判断，证实了在测量较小的时间尺度时，一个名为纹状体的脑区中的神经元活动至关重要。与计算机中能精确计时的时钟不同，人类的脑（Brain）保持着一种灵活的时间感，这被认为是由分散在脑中的神经网络的动态形成的。论文的通讯作者Joseph Paton将这种动态比作将一块石头扔进池塘，每一次石头落下，都会在水面产生重复的向外辐射的波纹。通过观察这些波纹的模式和位置，就可以推断出石头落水的时间和地点。就像池塘中的波纹的移动速度是可以改变的一样，这些神经元的活动模式的进展速度也可以改变。为了证明了这些神经“波纹”的演化快慢，与受时间影响的决策存在密切关联，研究人员对实验室的大鼠进行了训练，让它们可以区分不同的时间间隔。在实验中，他们让口渴的大鼠如果在收到一个声音信号后等待一段时间，就可以得到一滴水作为奖励。根据信号，它们需要判断一段时间是长于1.5秒还是短于1.5秒。与此同时，研究人员还会在进行这些训练时测量大鼠的纹状体的活动。纹状体是大脑（cerebrum）基底神经节中与运动控制有关的一部分，在过去的研究中，它被认为与受时间影响的决策有关。的确，通过实验，研究人员发现如果大鼠对一段时间间隔的估计更长，纹状体中的神经元活动就会变得更快；如果对一段时间间隔的估计更短，纹状体中的神经元活动就会变得更慢。然而，相关性并不等同于因果联系。为了测试这种相关性是否基于因果联系，研究人员需要一种方法能使研究人员在这些大鼠进行时间估计的同时，实验性地操纵这些动态。他们将目光投向了神经科学家工具箱中的一项“传统技艺”——温度操控。他们设计了一种小型的可用来局部加热或冷却纹状体的热电装置，然后将这种装置植入经受过训练的大鼠体内。首先，他们采用了光控遗传修饰技术（利用光来刺激特定的细胞），让处于麻醉状态下的大鼠的纹状体中产生神经元波。测量结果表明，神经元的波速在加热时会增加，在冷却时会减慢。换句话说，温度给了研究人员一个旋钮，让他们可以拉伸或收缩神经元活动。接着，他们将这种操作与行为实验结合在了一起，让大鼠对两个音之间的时间间隔是短于1.5秒还是长于1.5秒进行判断。这次的测量结果表明，当冷却纹状体时，大鼠更可能将时间间隔估计得更短；当加热纹状体时，更有可能估计得更长。令人惊讶的是，研究人员发现，虽然纹状体可以协调运动控制，减慢或加快其活动模式，但这并没有相应地减慢或加快大鼠的动作。这让他们更深入地思考了行为控制的本质。即使是最简单的生物，在控制运动方面也面临着两个基本挑战。第一，它们必须从不同的可能行动中做出选择，比如是前进还是后退。第二，一旦决定采取一个行动，它们就需要能够不断地对其进行调整和控制，以确保有效地执行这一行动。这些基本挑战适用于从蠕虫到人类的所有生物。新的研究表明，纹状体对于解决第一个挑战——决定“做什么”和“什么时候”做——至关重要，而第二个挑战——“如何”控制正在进行的运动——则被留给了其他的脑结构。因此，在另一项研究中，这一研究团队操纵了小脑（cerebellum）的温度。小脑容纳了脑中一半以上的神经元，它也参与控制运动，与我们每时每刻的连续行动有关。他们的初步数据显示，有别于纹状体，对小脑施以温度控制，的确会影响持续的运动控制。其实，在帕金森病和小脑性共济失调等运动障碍中，我们就能看到这两个脑系统之间的分工。帕金森病是一种影响纹状体的疾病，往往会使患者自主发起运动（比如行走）的能力受损。但是提供感官暗示，比如地面上的胶带线，就可以促进行走。这些暗示可能涉及其他脑区，比如小脑和皮层，只要这些区域仍然完好无损，就可以有效地管理持续的运动。而相比之下，患有小脑损伤的患者则很难完成平稳、协调的动作，但他们未必不能完成动作的启动或转变。研究人员认为，新的研究结果或许能推动帕金森病和亨廷顿病等衰竭性疾病的新治疗靶点的开发，这些疾病涉及与时间相关的症状和纹状体受损。然而，还有很多谜团有待解开。在未来的研究中，研究人员希望能够找出是什么脑回路创造了这些计时的活动涟漪？它们又是是如何帮助我们对环境做出反应的？要想解答这些问题，研究人员还需要更多的时间。
本文首发于微信公众号“原理”（principia1687) ，《赛先生》获授权转载。参考来源：
https://fchampalimaud.org/news/timekeeper-within-new-discovery-how-brain-judges-timehttps://www.nature.com/articles/s41593-023-01378-5
