大腦是如何記住時(shí)間的

如果讓你復(fù)述一下你今天早上做了些什么，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在回憶和復(fù)述這段經(jīng)歷時(shí)，你清楚地記得每個(gè)情景發(fā)生的不同時(shí)間。比如，你先刷牙再洗臉，在回憶和復(fù)述時(shí)也一定是先刷牙再洗臉。那么，大腦是如何記住做這些事的不同時(shí)間的？

神秘的海馬體

如果讓你復(fù)述一下你今天早上做了些什么，你可能會(huì)敘述出這樣的場(chǎng)景：起床、刷牙、洗臉、穿好衣服、吃早餐，或許還遛了狗。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在回憶和復(fù)述這段經(jīng)歷時(shí)，你清楚地記得每個(gè)情景發(fā)生的不同時(shí)間。

比如，你先刷牙再洗臉，在回憶和復(fù)述時(shí)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(shí)間的嗎？答案就在大腦記憶最重要的區(qū)域——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(gè)特定位置時(shí)，海馬體中一些特定的神經(jīng)元細(xì)胞即位置細(xì)胞，就會(huì)被激活，創(chuàng)建一個(gè)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(shí)，不同的細(xì)胞興奮。

在海馬體的一個(gè)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(huì)對(duì)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(gè)地方走到另一個(gè)地方需要多遠(yuǎn)。因此，海馬體可以說是大腦內(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(duì)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(xiǎn)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(duì)記憶進(jìn)行排序。無論是早上剛吃的早餐、最近的新聞?lì)^條，還是幾分鐘前剛剛認(rèn)識(shí)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(shí)間順序。一些科學(xué)家為之興奮——也許，海馬體的某些細(xì)胞可能和時(shí)間記憶有著密切聯(lián)系。

“時(shí)間細(xì)胞”的秘密

為了找到海馬體中有關(guān)時(shí)間記憶的細(xì)胞，一些科學(xué)家做了這樣一個(gè)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(shí)間相關(guān)的神經(jīng)信號(hào)。每當(dāng)老鼠跑15秒，科學(xué)家就給予它食物上的獎(jiǎng)勵(lì)。

他們發(fā)現(xiàn)，在多次實(shí)驗(yàn)后，老鼠的大腦學(xué)會(huì)了追蹤獎(jiǎng)勵(lì)和下次獎(jiǎng)勵(lì)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(shí)發(fā)出信號(hào)，一些神經(jīng)元細(xì)胞在2秒時(shí)發(fā)出信號(hào)……直到15秒過去。由于這些神經(jīng)元細(xì)胞在不同的時(shí)間點(diǎn)發(fā)出信號(hào)，通過分析這些信號(hào)，老鼠就可以知道時(shí)間過去了1秒、2 秒還是15秒。

當(dāng)科學(xué)家們將15秒延長(zhǎng)到30秒，神經(jīng)元細(xì)胞發(fā)射信號(hào)的時(shí)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(shí)間間隔。比如，原來是以1秒為單位發(fā)射信號(hào)，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(shí)間刻度走一樣。這項(xiàng)研究表明，我們可能也是依靠這種模式，意識(shí)到時(shí)間流逝了多少，就像司機(jī)們總是知道還有多長(zhǎng)時(shí)間黃燈就變成綠燈一樣。有時(shí)，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(hào)的放電模式。

而另一組科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在300個(gè)海馬體神經(jīng)元細(xì)胞中，大約有100個(gè)神經(jīng)元符合這種在不同時(shí)間點(diǎn)一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射信號(hào)的模式。而且，當(dāng)所處情景不同時(shí)，連續(xù)發(fā)射信號(hào)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(duì)時(shí)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(shí)間。

這些能夠?qū)r(shí)間作出反應(yīng)的神經(jīng)元細(xì)胞被形象地稱為“時(shí)間細(xì)胞”，在海馬體中大量存在。它們的作用是什么呢？

大腦的“神經(jīng)時(shí)鐘”

時(shí)鐘是人類設(shè)計(jì)發(fā)明出的用于測(cè)量時(shí)間的裝置。大腦沒有像時(shí)鐘的分鐘或小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)單位，但它進(jìn)化出了多種生物鐘來感知時(shí)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(shí)的晝夜變化，也讓我們能夠測(cè)量24小時(shí)的時(shí)長(zhǎng)。那如果是一些更短的時(shí)間呢？比如10秒、20秒，這時(shí)，“時(shí)間細(xì)胞”就派上用場(chǎng)了。

“時(shí)間細(xì)胞”的行為很像計(jì)時(shí)的秒表，秒表是按下按鈕后開始計(jì)時(shí)，而“時(shí)間細(xì)胞”是通過放電來計(jì)時(shí)的。它們比秒表更靈活，秒表只能按照1秒的時(shí)間刻度走，“時(shí)間細(xì)胞”則能根據(jù)兩件事情之間的時(shí)間間隔（就像老鼠實(shí)驗(yàn)中的兩次獎(jiǎng)勵(lì)之間的15秒和30秒），遵循不同的時(shí)間刻度。

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

“時(shí)間細(xì)胞”的出現(xiàn)讓人們認(rèn)識(shí)了大腦計(jì)時(shí)的運(yùn)作方式。這種新的運(yùn)作方式可能會(huì)打造出一種新的人工智能，能靈活掌握時(shí)間，更好地為人類服務(wù)。