Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени

Иногда нейробиологи называют нейроны детекторами совпадений. Нейрон постоянно получает малые толики возбуждающих импульсов – исходные параметры входящих сигналов от вышерасположенных нейронов. Однако нервная клетка готова прийти в возбужденное состояние только после того, как капля превратится в поток, то есть приняв большое количество импульсов одновременно. Тут вам, вероятно, захочется уточнить, что значит «одновременно» в данном масштабе; что такое «сейчас» в представлении нейрона? Клетка мозга функционирует на манер водяных часов. Нейромедиаторы восходящих синапсов прикрепляются к мембране нейрона, изменяя конформацию канального белка и впуская ионы в цитоплазму. Обычно внутрь клетки попадают ионы калия, несущие слабый положительный заряд, в результате чего начинается процесс деполяризации нейрона. Когда уровень деполяризации достигнет критической отметки, нейрон приходит в возбужденное состояние; чем быстрее поступают входящие сигналы, тем быстрее поднимается волна ионов. Однако в водяных часах есть дыры: ионы просачиваются через поры в клеточных мембранах, что увеличивает число ионов, одновременно выталкиваемых наружу клеточным насосом. «Процесс возбуждения легко моделируется с помощью надтреснутого винного бокала на тонкой ножке и кошерного вина марки Manischewitz, – сообщил мне один ученый. – Если быстро влить в бокал достаточное количество вина, ножка треснет, а в противном случае вы отделаетесь парой капель на скатерти».

Тем не менее «сейчас» длится довольно долго, если судить по времени, за которое подступающая волна ионов обгоняет наличествующий поток. Динамичное временное окно в значительной степени контролируется клеткой. Ионные насосы нейронов могут работать быстрее или медленнее, а число ионных каналов на клеточной мембране определяется ДНК нейрона. Кроме того, нейрон дифференцирует по приоритетности нервные импульсы, поступающие по восходящим путям: сигнал, поступающий от отдаленных нейронов, по дендритам, затухает быстрее во время прохождения по аксону; по этой причине их вклад в возбуждение, вероятно, менее значим. «Нейроны представляются мне одиночными вычислительными агрегатами, – пояснил Мэтелл. – В процессе вычислений они связывают данные, выраженные в потенциалах действия, во времени и пространстве». Далее Мэттел рассказал, что он задает своим студентам вопрос, сформулированный в форме аналогии: как вы принимаете решение, как провести субботний вечер – пойти на вечеринку в студенческом общежитии или остаться дома и углубиться в занятия? «Вы ранжируете свои источники по степени авторитетности, – сказал Мэтелл. – Если посоветоваться с мамой, она скажет вам одно; если обратиться за советом к друзьям, они скажут другое. К тому же могут найтись и другие соображения: к примеру, ваши друзья считают, что на вечеринку следует пойти, но те вечеринки, на которых вы уже побывали, последовав их совету, вас изрядно разочаровали, и потому их мнение для вас мало что значит».

Так или иначе, «сейчас» для нейрона не равно нулю. Как и всегда, расчет затрат времени требует времени: прохождение нейромедиаторов через синаптическую щель от одного нейрона к другому занимает пятьдесят микросекунд (двадцатая доля миллисекунды или одна двадцатитысячная секунды); на деполяризацию нейрона в преддверии возбуждения уходит около двадцати миллисекунд; еще примерно десять миллисекунд затрачивается на прохождение импульса по всей длине клетки. Нейрон может возбуждаться от десяти до двадцати раз за секунду; когда группы нервных клеток периодически возбуждаются в унисон на регулярной основе, проводимые ими импульсы регистрируются в виде электромагнитных колебаний. «Основные трудности в понимании механизма восприятия времени связаны с тем, что протекающие в мозге нервные процессы осуществляются в масштабах миллисекунд», – признался Мэтелл. Как получается, что одна и та же система межнейронных связей наделяет нас способностью ориентироваться в потоке секунд, минут и часов? Одна из ранних теорий сосредоточивалась на деятельности мозжечка, фактически приравнивая последний к электросхеме с разветвленными сетями и линиями задержки, которые могут замедлять прохождение сигналов. В рамках подобной модели можно объяснить некоторые аспекты поведения, к примеру способность определять направление звуковой волны. (Мозг получает сведения о локализации звука, когда звуковой импульс достигает одного уха чуть быстрее, чем второго.) Однако постулаты данной теории едва ли применимы к восприятию интервалов, длительность которых исчисляется в секундах и минутах. Последние несколько лет Мэтелл принимает участие в разработке новой теории, рассматривающей нейросеть не как телефонную линию, а скорее как симфонию.