神經(jīng)元能夠標(biāo)記時間嗎？

編譯 毛毛熊

2007年6月，馬來西亞人年輕人（19歲）阿爾伯特·曹（Albert Tsao）在挪威特隆赫姆的卡夫利系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)研究開始了他的工作。曹當(dāng)時是梅-布里特·莫澤( May-Britt Moser)和愛德華·莫澤（Edvard Moser）實驗室的一位暑期實習(xí)生，這對夫妻搭檔是當(dāng)時神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域聲名顯赫的科學(xué)家，他們發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)系統(tǒng)中的“網(wǎng)格細胞”（這是一類特殊的神經(jīng)元，可以通過追蹤我們的位置在人類大腦中生成導(dǎo)航地圖）。

網(wǎng)格細胞位于大腦內(nèi)側(cè)的內(nèi)嗅皮層區(qū)。曹對于相鄰但未知的區(qū)域——外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)（L. E. C.）感到非常好奇。于是他設(shè)計了一個實驗：在一些大鼠的外側(cè)內(nèi)嗅皮層中植入了一些微小的電極后，讓這些大鼠在一系列盒子中覓食谷物巧克力。這些盒子有黑色的，也有白色的。他記錄下大鼠在覓食過程中單個神經(jīng)元電信號的變化，以期能夠找到某種規(guī)律性模式，在發(fā)現(xiàn)這個實驗沒有明顯的電信號出現(xiàn)時，他把這些數(shù)據(jù)暫時放在了一邊。

時光飛逝，曹轉(zhuǎn)眼成為特隆赫姆實驗室的博士研究生。2014年，莫澤夫婦與其他人分享了諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎。到了2015年，就在曹博士畢業(yè)之前，他決定再看看外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)的實驗數(shù)據(jù)。8年前，當(dāng)他檢測大鼠在覓食過程中神經(jīng)元的個體變化時，這些神經(jīng)元似乎在不穩(wěn)定的模式中發(fā)射電信號，這些放電模式看起來毫無意義。這一次，他對數(shù)據(jù)使用了一種不同尋常的統(tǒng)計分析方式，重點關(guān)注是這些神經(jīng)元發(fā)射電信號的綜合模式。當(dāng)他仔細查看這些數(shù)據(jù)時，他開始有一種預(yù)感，神經(jīng)元似乎以某種方式參與標(biāo)識了時間的變化。

為了驗證這個想法，在莫澤實驗室，曹聯(lián)合同事們開展了更多的實驗。讓大鼠在黑、白兩色盒子中進行了多達12輪的覓食活動，同時收集神經(jīng)元的電信號。等這個新實驗完成時，曹已經(jīng)搬回美國，并在美國對獲取的數(shù)據(jù)再次進行統(tǒng)計分析，研究在所有大鼠覓食探險過程中外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)神經(jīng)元整體電信號的活動。結(jié)果顯示似乎大腦區(qū)域?qū)γ看我捠郴顒佣挤謩e做了記錄。曹接著還分析了另一組數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)來自于一個大鼠圍繞八字形迷宮連續(xù)運動的行為學(xué)實驗。 在這個實驗中，外側(cè)內(nèi)嗅皮層神經(jīng)元沒有分開運行，而是所有激活的神經(jīng)元發(fā)射電信號堆疊在彼此之上。然而，在每個單獨的試驗中，神經(jīng)元似乎標(biāo)記了動物在運動過程中的不同地點的進展。

曹現(xiàn)在是斯坦福大學(xué)的博士后。2018年秋天早些時候在帕洛阿爾托見到他時，這篇文章已經(jīng)發(fā)表在9月《自然》雜志上。在這篇文章中，研究人員也有些爭論，主要圍繞外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)中的神經(jīng)元通過創(chuàng)建“時間戳”（timestamps）的方式記錄事件展開順序。根據(jù)動物的不同經(jīng)歷，細胞發(fā)射電信號模式發(fā)生的變化現(xiàn)象表明外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)不是通過手表那樣的方式來測量時間。而恰恰相反，曹認為：“它是通過編碼進行中的經(jīng)歷來記錄。”

大腦皮層究竟如何記錄我們記憶的時間、地點和內(nèi)容一直是神經(jīng)科學(xué)家長期以來想迫切了解的內(nèi)容。目前認為網(wǎng)格細胞有助于編碼人類記憶中事件發(fā)生的位置。在一個視頻電話中，梅-布里特解釋了L. E. C.的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元細胞結(jié)構(gòu)是如何管理人類的記憶。 （梅-布里特和愛德華仍然在一起管理著他們的實驗室，但他們在2016年離婚了。）目前，研究人員推測，大鼠大腦可以區(qū)分當(dāng)前的一次覓食活動與下一次覓食活動，因此大鼠大腦的外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)為每次覓食活動形成單獨的“時間戳”。相比之下，大鼠圍繞“八字形軌道運動”的軌跡非常相似，以至于大腦很難將這些運動軌跡彼此分開。愛德華說道：“結(jié)果，‘時間戳’變得彼此重疊并且難以區(qū)分?！?/p>

曹和愛德華認為，外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)的時間編碼系統(tǒng)可能是目前我們對時間進行主觀感知的基礎(chǔ)。他們的理論基礎(chǔ)是海馬體中的神經(jīng)元，依賴于外側(cè)和內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層中定位和編碼時間的網(wǎng)絡(luò)信息的輸入?！拔覀冋J為，同種類型的細胞能夠獲得空間和時間的信息?！睈鄣氯A通過SKYPE發(fā)布了上述這些信息。一旦兩種類型輸入的信息“混合在一起”，大腦記憶就獲得了事件發(fā)生的時間和地點。

近些年來，圍繞海馬神經(jīng)元系統(tǒng)中其他類型的“內(nèi)部時鐘”的研究工作，使得神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一個蓬勃發(fā)展的子學(xué)科。波士頓大學(xué)的研究人員于2011年發(fā)現(xiàn)了“時間細胞”，標(biāo)志著神經(jīng)系統(tǒng)“時鐘”的分秒運動模式被發(fā)現(xiàn)；2011年10月，美國西北大學(xué)的生物學(xué)家宣布，他們在大腦內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層中發(fā)現(xiàn)了一組神經(jīng)元，這組神經(jīng)元在動物處于等待狀態(tài)時會像鐘表一樣開啟。

曹的實驗分析也發(fā)現(xiàn)一些外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)的神經(jīng)元顯示出類似計時器一樣的電信號發(fā)射模式。在大鼠盒子覓食實驗中，有些細胞在每次實驗過程中電信號的發(fā)射都會減慢，就像音樂盒播放音樂一樣；而另外一部分細胞在12次實驗過程中都出現(xiàn)電信號衰退的現(xiàn)象，而且持續(xù)了一個多小時。在大腦的其他區(qū)域中，研究人員也研究過各種類型的“神經(jīng)元計時器”。

然而，研究人員對這些神經(jīng)元細胞究竟通過這種現(xiàn)象在記錄什么也存在著激烈的爭論。紐約大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家哲爾吉·布扎基（Gy?rgy Buzsáki）因其對“神經(jīng)元語法”的解碼工作而備受關(guān)注，該神經(jīng)元語法允許使用尖峰神經(jīng)元的集合對信息進行解碼。布扎基指出，實驗人員觀察到與時間測量相關(guān)的神經(jīng)活動這一事實并不意味著他們已經(jīng)找到大腦計算或標(biāo)記時間的機制，需要通過實驗顯示大腦的其他區(qū)域能夠讀取并且使用這些暫時性的信號才有說服力。

對于我們大多數(shù)人來說，不言而喻的是，人類的大腦一定具有某種類似時間“感應(yīng)”的東西——一種可以跟蹤記錄時間流逝的系統(tǒng)，它可以檢測到可見世界的變化。布扎基在近期的一次討論中提到了這一點。無論我們的神經(jīng)元在感知過程中測量什么，它都不是以時鐘的方式進行標(biāo)記。此外，他還認為，時間和時鐘都是人類社會文化構(gòu)建的產(chǎn)物，即當(dāng)代社會繼承了祖先的傳統(tǒng)。一些原始部落與我們體驗時間的方式截然不同。

“它一定測量了其他某種東西，比如說變化、速度或者加速度，我們大腦確實具有某種傳感器的功能?！辈荚J為。如果如這樣所想的話，大腦對“時間”的處理，并不是一種用“追蹤”或者“衡量”的方式去絕對化地理解，它更像是一個組織體系，感知周圍世界的變化并且協(xié)調(diào)我們的生活。

愛德華完全同意“當(dāng)然時間就是一種變化”這種理解。如果用另外一種方式描述他的實驗室對外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)實驗的分析結(jié)果，即揭示了實驗過程中不斷變化的活動順序。“我們可以稱之為‘情景性時間’，以區(qū)別于‘時鐘時間’，”他說，“我們必須賦予它一個名字，否則將其稱為‘變化率’顯然更無法幫助我們理解。”

特隆赫姆的研究小組認為，外側(cè)內(nèi)嗅皮層的時間信號分布在數(shù)千個神經(jīng)元細胞上，這些神經(jīng)元以幾十秒到一個多小時的尺度來表達時間。神經(jīng)科學(xué)家通過各種方法試圖確定這些神經(jīng)元的特定功能，愛德華在SKYPE描述了其中一些測量方法。一種方法是阻斷大鼠的外側(cè)內(nèi)嗅皮層的活動，然后研究動物如何通過記憶一系列的時間來完成特定的任務(wù)。檢查阿爾茲海默癥患者也可以提供類似的線索：內(nèi)嗅皮層區(qū)是患病后受到影響的第一個大腦區(qū)域，患者大腦出現(xiàn)導(dǎo)航記憶的問題也是罹患這種疾病的標(biāo)志。

然而，從另一個角度來看，時間神經(jīng)科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)只是說明了我們對時間知之甚少。我們認為我們知道什么是時間，但是，時間的本質(zhì)是一個謎，在整個學(xué)科和數(shù)千年中都是令思想家感到沮喪的未解之謎。奧古斯丁在第四世紀指出的悖論—— “那么，時間是什么？如果沒有人問我，我知道答案；如果我想向那個提問的人解釋，我其實不知道答案” 。直到今天仍然如此。

資料來源 The New Yorker