Нейробиологи открыли двойной механизм восприятия времени, который может разделяться между различными областями мозга

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

Исследователи из Токийского института науки (Institute of Science Tokyo) выяснили, что мозг не использует единые «централизованные часы» для восприятия времени. Вместо этого различные отделы коры способны динамически переключаться между синхронной работой и полностью независимым счётом.

Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature Communications, объясняют, как биологическим системам удаётся сохранять стабильность вычислений, оставаясь при этом гибкими к изменениям окружающей среды.

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

Во время выполнения задачи команда фиксировала активность тысяч отдельных нейронов с помощью двухфотонной кальциевой визуализации. Наблюдения велись одновременно в 2 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 котором была зашифрована информация о прошедших секундах.

Ключевым открытием стал анализ ошибок при счёте времени. Учёные выявили 2 типа сбоев в нейронной активности. В первом случае оба региона ошибались синхронно, демонстрируя когерентность. Во втором случае один отдел коры продолжал считать секунды точно, тогда как другой сбивался, что указывало на их временную независимость. При этом независимые ошибки происходили примерно в 2 раза чаще, чем согласованные, и эта пропорция сохранялась у всех протестированных животных.

Чтобы понять механизм этого природного баланса, исследователи создали компьютерную модель из 2 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 берёт верх, 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 решить давнюю инженерную проблему. А механизм, при котором редкие связи и общий фон обеспечивают баланс между автономией и синхронизацией, может стать базовым принципом проектирования. Внедрение подобных алгоритмов позволит создавать адаптивные системы управления роботами и модели искусственного интеллекта, способные разделять задачи на независимые вычислительные потоки и мгновенно синхронизировать их при необходимости.