大腦如何記住時間？

陳戈

如果讓你復(fù)述一下你今天早上做了些什么，你可能會敘說出這樣的場景：起床，刷牙，洗臉，穿好衣服，吃了早餐，或許還遛了遛狗。你很容易就發(fā)現(xiàn)，在回憶和復(fù)述這段經(jīng)歷時，你清楚地記得每個情景發(fā)生的不同時間，比如你先刷牙再洗臉，在回憶和復(fù)述時也一定是先刷牙再洗臉。那你知道大腦是如何記住做這些事情的不同時間的嗎？答案就在大腦記憶最重要的區(qū)域——海馬體。

神秘的海馬體

海馬體通常被認(rèn)為是空間位置記憶細(xì)胞的所在處。

當(dāng)我們到達(dá)某個特定位置時，海馬體中一些特定的神經(jīng)元細(xì)胞即位置細(xì)胞，就會被激活，創(chuàng)建一個有關(guān)機(jī)體自身周圍空間位置的腦內(nèi)地圖，激活的細(xì)胞就像標(biāo)記，記住機(jī)體的具體位置。而海馬體內(nèi)的頭部方向細(xì)胞能辨別頭部的朝向，朝向不同方向時，不同的細(xì)胞興奮。在海馬體的一個叫內(nèi)嗅皮層的區(qū)域中，另一組被稱為網(wǎng)格細(xì)胞的神經(jīng)元細(xì)胞會對你行進(jìn)的距離作出反應(yīng)。這些細(xì)胞的組合使我們知道自己位于空間何處、如何在復(fù)雜的環(huán)境中找到方向，以及從一個地方走到另一個地方需要多遠(yuǎn)。因此，海馬體也可以說是大腦內(nèi)部的“GPS”，是空間記憶的主要組成。

海馬體是否只能記住空間位置？一次手術(shù)似乎讓科學(xué)家們對海馬體記憶功能有了其他的看法。

1953年9月1日，一位神經(jīng)外科醫(yī)生進(jìn)行了一次冒險的手術(shù)：為了治療癲癇患者，他切除了患者大腦中的海馬體和周圍組織。手術(shù)確實(shí)減弱了患者的發(fā)作頻率和反應(yīng)強(qiáng)度，但患者的記憶卻出了很大的問題：他再也無法對記憶進(jìn)行排序。無論是早上剛吃的早餐、最近的新聞頭條，還是幾分鐘前剛剛認(rèn)識的陌生人，他不像平常人一樣能正確復(fù)述出所經(jīng)歷的情景的時間順序。一些科學(xué)家為之振奮：“也許，海馬體的某些細(xì)胞可能和時間記憶有著密切聯(lián)系”。

時間細(xì)胞出現(xiàn)

為了找到海馬體中有關(guān)時間記憶的細(xì)胞，一些科學(xué)家做了這樣一個實(shí)驗(yàn)：將電極植入到老鼠的海馬體中，記錄神經(jīng)元細(xì)胞放電行為。然后讓老鼠在小型跑步機(jī)上跑步，這樣可以使老鼠的位置和行為保持不變，科學(xué)家就可以專注于與時間相關(guān)的神經(jīng)信號。每當(dāng)老鼠跑15秒，科學(xué)家就給予它食物上的獎勵。

他們發(fā)現(xiàn)，在一遍又一遍地重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，老鼠的大腦學(xué)會了追蹤獎勵和下次獎勵之間的15秒間隔。神經(jīng)元細(xì)胞形成了一種特殊的放電模式——一些神經(jīng)元細(xì)胞在1秒時發(fā)出信號，一些神經(jīng)元細(xì)胞在2秒時發(fā)出信號……直到15秒過去。由于這些神經(jīng)元細(xì)胞在不同的時間點(diǎn)發(fā)出信號，通過分析這些信號，老鼠就可以知道時間過去了1秒、2 秒還是15秒。

當(dāng)科學(xué)家們將15秒延長到30秒，神經(jīng)元細(xì)胞發(fā)射信號的時間點(diǎn)就發(fā)生了變化，它們產(chǎn)生了一種新的放電模式來填滿新的時間間隔，比如原來是以1秒為單位發(fā)射信號，現(xiàn)在是以2秒為單位。這就像給神經(jīng)元細(xì)胞重新編程，讓它們按照不同的時間刻度走一樣。這項研究表明，我們可能也是依靠這種模式，意識到時間流逝了多少，就像司機(jī)們總是知道還有多長時間黃燈就變成綠燈一樣，有時，他們甚至還能精準(zhǔn)到零點(diǎn)幾秒——這是因?yàn)樯窠?jīng)元細(xì)胞編程為每0.1秒發(fā)射一次信號的放電模式。

而另一組科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在300個海馬體神經(jīng)元細(xì)胞中，大約有100個神經(jīng)元符合這種在不同時間點(diǎn)一個接一個地發(fā)射信號的模式。而且，當(dāng)所處情景不同時，連續(xù)發(fā)射信號的神經(jīng)元細(xì)胞群也不同，這預(yù)示著，海馬體中有很多組對時間作出反應(yīng)的細(xì)胞群，不同的細(xì)胞群讓我們能記住不同情景發(fā)生的時間。

這些能夠?qū)r間作出反應(yīng)的神經(jīng)元細(xì)胞被形象地稱為“時間細(xì)胞”，在海馬體中大量存在。它們的具體作用究竟是什么？

大腦的神經(jīng)時鐘

時鐘是人類設(shè)計發(fā)明出的用于測量時間的裝置，我們會根據(jù)時鐘顯示的時間來協(xié)調(diào)我們的活動，比如是工作、學(xué)習(xí)還是休息。雖然大腦沒有像時鐘的分鐘或小時的標(biāo)準(zhǔn)單位，但它進(jìn)化出了多種生物鐘來感知時間，比如晝夜節(jié)律生物鐘，它讓我們適應(yīng)因地球自轉(zhuǎn)造成的24小時的晝夜變化，也讓我們能夠測量24小時的時長。那如果是一些更短的時間呢？比如10秒？20秒？這時，時間細(xì)胞就派上用場了。

時間細(xì)胞的行為很像計時的秒表，秒表是按下按鈕后開始計時，而時間細(xì)胞通過放電來計時。它們比秒表更靈活，秒表只能按照1秒的時間刻度走，時間細(xì)胞則能根據(jù)兩件事情之間的時間間隔（就像老鼠實(shí)驗(yàn)中的兩次獎勵之間的15秒和30秒），遵循不同的時間刻度。

時間細(xì)胞能很好地記錄事件之間的空白時間，并利用連續(xù)放電來編碼時間流逝了多少，電信號就像時鐘的“滴答”聲一樣，記錄著時間過去的每一秒。可以說，時間細(xì)胞是大腦的神經(jīng)時鐘。

大腦是一個重要和極其復(fù)雜的器官，也是人類智慧的根本所在，所以破解大腦秘密一直是科學(xué)家們的夢想。時間細(xì)胞的出現(xiàn)讓人們認(rèn)識了大腦計時的運(yùn)作方式，也再一次加深了對神秘大腦的理解，人類離破解大腦又邁進(jìn)了一大步。這種新的運(yùn)作方式可能會打造出一種新的人工智能，使人工智能也能靈活掌握時間，這樣人工智能將能更好地為人類服務(wù)。