Сколько часов умещается в мозге?

Вместо единых часов, позволяющих нашему мозгу оценивать временные промежутки, у нас может быть огромный набор нейронных хронометров, которые включаются в ответ на различные ритмические рисунки, поступающие в мозг с внешними стимулами.

Одна из самых больших загадок мозга заключается в том, как он обращается со временем. Мы интуитивно понимаем, что произошло раньше, а что — позже, сколько времени прошло между событиями. Однако какие нейронные механизмы тут работают, учёные до сих пор плохо себе представляют.

Очевидно, что в основе чувства времени должна быть некая ритмическая активность, которая делила бы временной поток на равные части. Одна из распространённых гипотез на эту тему говорит о существовании в мозге собственных «часов» — группы нейронов, которая сравнивает происходящее снаружи со своим ритмом. Однако возможны и другие объяснения: по мнению исследователей из Пекинского педагогического университета (Китай), мозг может выучивать внешние ритмы, которые приходят к нему со зрительными, слуховыми и прочими стимулами. То есть «часы» как бы есть, но они запускаются извне и обладают разным ходом.


Но если ритм задаётся извне, то каким образом нейронной цепочке удаётся поддерживать возбуждённые колебания? Ведь, как мы знаем, входящий импульс рождает у нейрона некий ответ, и происходит это чрезвычайно быстро, то есть до того, как к нейрону придёт второй импульс из ритмической серии, нейрон уже забудет о первом. Иными словами, два стимула, пусть и одной природы, и вполне ритмичные, будут восприниматься как нечто не связанное одно с другим. Но чтобы ритм удалось ввести в нейронную цепь, всё должно быть иначе: в нейронах должна оставаться память о предыдущем стимуле, чтобы следующий оказался с ним связан.

В журнале PNAS Сы У (Si Wu) и его коллеги предлагают модель нейронных часов, которые как раз удерживают в течение довольно долгого (по нейронным меркам) времени память о ритмических стимулах. Модель строится на нейронной петле, способной объединять много клеток, но защищённой при этом от синхронного возбуждения.

Обычно, если мы говорим о группе нейронов, связанных между собой, то одновременно полагаем, что входящий импульс возбуждает сразу все клетки группы или хотя бы делает это с ничтожной задержкой. В той сети, которую описывают исследователи, дела обстоят несколько иначе: в неё входят нейроны, соединённые лишь с некоторыми соседями, и другие нейроны, которые выполняют функцию хабов, то есть обеспечивают мгновенное включение сразу большого числа других клеток.

Нейроны в такой сети соединены различными синапсами: одни соединения представляют собой простые электрические синапсы, другие — химические, которые позволяют регулировать соответствие между входящим импульсом и возбуждением принимающего нейрона.


Как всё происходит? Некий стимул вызывает бегущий импульс по кольцу (цепочке) нейронов, и время его пути зависит от длины цепочки, от того, сколько в неё входит клеток. Сигнал по тому кольцу может пробегать несколько раз, но никакой ритмической отбивки тут нет — ну бегает сигнал и бегает, где у него конец, где начало, сказать трудно. Но к этой цепочке подсоединены нейроны-хабы; возбудить их довольно трудно, зато они сами легко возбуждают своих соседей. Чтобы клетка-хаб инициировалась, к ней должен прийти усиленный сигнал — к примеру, двойной. Такой нейрон может быть соединён с двумя цепочками одинаковой длины, и тогда периодически на «хаб» будет приходить двойной сигнал. И в этот момент нейрон-хаб будет провоцировать массовую вспышку среди всех своих приёмников, и эта вспышка как раз и будет ритмической отбивкой.

Сам размер ритма в этом случае определяется разнообразными кольцами, петлями, цепочками легковозбудимых нейронов, которые удерживают изначальный ритмический сигнал. От конфигурации этих колец, а также от того, как в них встроены трудновозбудимые хабы и сколько нужно потратить усилий, чтобы «запустить» такой хаб, и будет зависеть чередование массовых ритмических вспышек.

Главное тут — выбор подходящей нейронной петли в момент, когда извне приходит ритмический сигнал: мозг должен выбрать подходящие «часы», которые можно завести под конкретный ритм. Понятно, что огромную роль здесь играет синаптическая пластичность, позволяющая перестраивать нейронные цепочки в зависимости от текущей задачи. Кроме того, авторы работы считают, что такая часовая система должна представлять собой так называемую безмасштабную сеть, хотя это требование не обязательно выполнять слишком строго: главное, чтобы в системе было очень много нейронов с небольшим количеством соединений («хранители ритма») и немного — с большим («хабы-куранты»).

Иными словами, модель отказывается от единого часового центра в мозге, предлагая взамен довольно пластичную (и весьма неэкономичную) систему, впитывающую различные ритмы извне.

Стоит, однако, заметить, что эта модель, хотя и отличается остроумием, всё же является пока преимущественно теоретической. Впрочем, некоторые экспериментальные данные вполне с ней согласуются, так что, возможно, наш мозг действительно обладает не одними, а целым ворохом «часов» всевозможных размеров.

Подготовлено по материалам Medical Xpress. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.