时间是我们日常生活中最常用的概念之一,但如果没有钟表,我们如何感知时间的流逝?数十年来,科学家们一直认为大脑中存在一个类似时钟的机制来记录时间。然而,2007年2月1日发表在《神经元》(Neuron)杂志上的一项研究提出了一个全新的理论:大脑通过一系列神经细胞的物质变化来监控时间,而非依赖单一的时钟结构。
该研究由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)季芬医学院副教授、脑研究所成员迪安·布洛玛洛(Dean Buonomano)领导。他指出:“这项研究的价值在于理解大脑如何工作。许多复杂的人类行为,如演讲和随歌伴舞,都依赖于大脑精确的时间记录能力。但此前没有人知道大脑是如何做到这一点的。”
传统理论认为,大脑中存在一个类似时钟的机制,能够引发和计算定期的固定活动。然而,布洛玛洛提出了一个“无时钟”的运作模式。他通过类比解释大脑的工作原理:“假设你向湖中扔一块石头,石头击水产生的水波就像是石头入水时间的信号。随着水波向远处传播,时间也在流逝。我们认为大脑中也会发生类似的过程,使大脑能够跟踪时间。每次大脑处理一个感官事件,比如一个声音或闪光,都会触发神经细胞与其相关组织之间的连锁反应。每一次反应都会释放一个信号,使神经细胞网络能够跟踪时间。”
研究小组利用计算机模拟对这一理论进行了测试。他们模拟了一个相互连接的神经细胞网络,其中每个连接都能将大脑皮层的刺激反应转化为时间信息。结果发现,这个网络能够记录时间。特定事件被编码为电信号,存储在以往类似事件的记忆区域中。换句话说,如果测量大脑中众多神经元对一个音调或闪光的反应,这种反应不仅会展现事件本身,还会展现之前和同时发生的其他事件。
为了验证这一理论,研究小组进行了一项行为实验:要求志愿者学习判断不同环境中两个音调之间的时间间隔。结果发现,当“干扰”音调随机出现在两个测试音调之前时,志愿者对时间间隔的感知会显著削弱。这表明,时间感知依赖于神经活动的动态模式,而非固定的时钟。
布洛玛洛总结道:“我们的研究结果显示,使我们能够欣赏演讲和享受音乐的时间装置遍布大脑的各个角落,这与我们通常戴在手腕上的手表并不相同。”由于时间信息对理解语言至关重要,确定大脑如何记录时间对于理解语言障碍(如诵读困难)的病因具有重要意义。
下一步,研究小组计划记录大量神经细胞的反应,以确定神经细胞是否能够编码与皮层刺激时间相关的信息。