追踪时间对许多任务至关重要，例如弹钢琴、挥动网球拍或进行对话。麻省理工学院和哥伦比亚大学的神经科学家现已弄清，大脑某一区域的神经元如何测量时间间隔并准确地再现这些间隔。
研究人员发现，外侧顶内沟皮层（LIP）在感觉运动功能中发挥作用，它在动物测量并随后再现时间间隔时，会表征流逝的时间。他们还证明，LIP中神经元群体的放电模式如何协调计时的感觉与运动层面。
Mehrdad Jazayeri表示，LIP可能只是测量时间的回路中的一个节点。他是描述这项工作的论文的第一作者，该论文发表于10月8日出版的 《Current Biology》一期。
“我不会断定顶叶皮层就是计时器，”麻省理工学院脑与认知科学系助理教授、McGovern Institute for Brain Research成员Jazayeri说。“我们正在发现解释神经元放电率如何随时间演变、以及这如何与动物在单次试验中的行为相关联的计算原理。我们能够用数学方式解释正在发生的事情。”
该论文的资深作者是Michael Shadlen，他是哥伦比亚大学神经科学教授，同时也是该校Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute的成员。
随时间推移
Jazayeri于2013年加入麻省理工学院教职员工队伍，几年前还在华盛顿大学担任博士后研究员时开始研究大脑中的时间感知。他最初通过一项名为“ready, set, go”的任务，测试人类测量和再现时间的能力。在该实验中，受试者测量两次闪光（“准备”和“就位”）之间的时间，然后在适当的时刻，即与“准备”和“就位”之间相隔的时间相同之后，按下按钮（“开始”）。
从这些研究中，他发现人们并非简单地测量一个时间间隔然后再现它。相反，在测量一个时间间隔之后，他们会将这一测量结果（它并不精确）与其对该间隔可能长度的先验知识相结合。这种先验知识会随着他们多次重复任务而逐渐积累，使人们能够更准确地再现该时间间隔。
“当人们再现时间时，似乎并不使用计时器，”Jazayeri说。“这是一种持续进行的、主动的概率推断过程。”
为了探究这一过程中大脑发生了什么，Jazayeri记录了接受相同任务训练的猴子LIP中的神经元活动。在这些记录中，他发现了测量阶段（“准备”与“就位”之间的间隔）和再现阶段（“就位”与“开始”之间的间隔）各自独特的模式。
在测量阶段，神经元活动会增加，但并非线性增长。相反，活动的斜率起初呈陡峭的曲线，随着时间推移逐渐趋于平缓，直到发出“就位”信号。这一点至关重要，因为测量间隔末尾的斜率可以预测再现阶段活动的斜率。
当间隔较短时，第二阶段的斜率较陡。这使活动能够迅速增加，从而使动物能够再现较短的间隔。当间隔较长时，斜率较平缓，达到反应时间所需的时间也更长。
“在测量过程中，随着时间推移，动物会知道它需要再现的间隔更长，因此需要更平缓的斜率，”Jazayeri说。
利用这些数据，研究人员能够根据测量阶段末尾的斜率，正确预测动物何时会发出“开始”信号。
“先前的研究表明，一些神经元的放电率会逐渐上升，并在计时运动反应开始时达到顶峰。这项研究令人兴奋，因为它首次提示了可能控制这种“神经斜坡”斜率的因素，具体而言，即斜坡的斜率可能由计时间隔开始时的放电率决定，”加州大学洛杉矶分校行为神经科学教授Dean Buonomano说，他未参与该研究。
“一个高度分布式的问题”
所有认知和运动功能在某种程度上都依赖于时间。虽然LIP在间隔再现过程中表征时间，但Jazayeri认为，时间追踪发生在连接皮层下结构（如丘脑、基底神经节和小脑）与皮层的整个脑回路中。
“时间感知将是大脑面临的一个高度分布式的问题。大脑中不会只有一个区域负责计时，”他说。
他的实验室目前正在研究这项研究提出的几个问题。在一项后续研究中，研究人员正在调查动物的行为和脑活动如何根据它们对第一个间隔持续时长的预期而变化。
在另一项实验中，他们正在训练动物再现一个可以测量两次的时间间隔。初步结果表明，在第二个间隔期间，动物会优化它们在第一个间隔中所做的测量，从而使其表现优于只进行一次测量的情况。
本文与 MIT News合作发表。发表本文并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
如需紧跟Agenda的最新动态，请 订阅我们的每周简报。
作者：Anne Trafton是 MIT News的作家，负责生命科学、物理科学以及生物与化学工程领域的报道。
图片：研究生在伦敦大学学院纳米医学实验室为啮齿类动物帕金森病脑切片染色。路透社/Suzanne Plunkett
