Нейробиологи раскрыли новый двойной механизм восприятия времени в мозге

Разные отделы коры головного мозга способны работать как синхронно, так и переключаться на независимый «таймер»

Исследователи из Токийского института науки (Institute of Science Tokyo) обнаружили, что мозг не полагается на единые «централизованные часы» для восприятия времени. Вместо этого различные участки коры могут динамически переключаться между синхронной работой и полностью независимым отсчетом.

Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature Communications, объясняют, как биологические системы способны сохранять стабильность вычислений, оставаясь при этом адаптивными к изменениям окружающей среды.

Учёные разработали специализированную задачу для мышей. Животных обучили ожидать вознаграждение через чередующиеся интервалы в 6 и 12 секунд. При этом между попытками не было пауз, что заставляло грызунов постоянно обновлять внутреннее чувство времени, а не перезапускать свой «ментальный таймер» с нуля. К концу обучения мыши научились точно предсказывать оба временных отрезка, прогнозируя, какой интервал будет следующим.

Во время выполнения задачи команда фиксировала активность тысяч отдельных нейронов с помощью двухфотонной кальциевой визуализации. Наблюдения проводились одновременно в двух зонах, отвечающих за планирование и рабочую память: вторичной моторной коре и задней теменной коре. Оказалось, что клетки в обеих областях активировались в строгой последовательности, создавая алгоритм, в который была встроена информация о прошедших секундах.

Ключевым открытием стал анализ ошибок при отсчете времени. Учёные выявили два типа сбоев в нейронной активности. В первом случае оба региона ошибались синхронно, демонстрируя когерентность. Во втором случае один участок коры продолжал точно отсчитывать секунды, тогда как другой сбивался, что указывало на их временную независимость. При этом независимые ошибки происходили примерно в два раза чаще, чем согласованные, и эта пропорция сохранялась у всех протестированных животных.

Чтобы понять механизм этого природного баланса, исследователи создали компьютерную модель из двух рекуррентных нейронных сетей, подверженных общему фоновому шуму. Симуляция показала, что за синхронизацию отвечает небольшое количество редких связей между областями, тогда как глобальный шум заставляет их работать автономно. Ни одна из этих сил не преобладает, вместо этого система находит математический компромисс, который позволяет отделам «общаться», но не сливаться в единый негибкий часовой механизм.

Понимание архитектуры распределённого механизма восприятия времени может помочь в решении давней инженерной проблемы. А механизм, при котором редкие связи и общий фон обеспечивают баланс между автономией и синхронизацией, может стать основополагающим принципом проектирования. Внедрение подобных алгоритмов позволит разрабатывать адаптивные системы управления роботами и модели искусственного интеллекта, способные делить задачи на независимые вычислительные потоки и мгновенно синхронизировать их при необходимости.