脳は時間の順序を伝えるためにあなたが思っている以上に一生懸命働いています

私たちの認識では、時間は目に見えず、触れることのできない属性です。しかし、時間に似ているけれども、より私たちに特有の別の特性があります。それが空間です。そこでまず、脳が空間をどのように符号化するかを見てみましょう。

今すぐ実験してみましょう。目を閉じて、周囲がどのような様子なのかを頭の中で再現してみましょう。この能力は脳内の「認知マップ」と呼ぶことができます。

1970 年代に、ジョン・オキーフは、この認知マップが私たちの海馬に隠されている可能性が高いことを発見しました。ここで海馬について簡単に紹介する必要があります。海馬は大脳皮質の下に隠れており、歯状回、CA1、CA2、CA3 の 4 つの異なる領域に分かれています。 （重要なポイントを強調表示）

オキーフは、ラットが特定の姿勢をとったり特定の方向を向いているときには多くのニューロンが着実に発火するが、他の状況ではほとんど発火しないことを発見した。彼は、そのようなニューロンのグループは、単一の環境内のすべての場所をエンコードできるはずであり、それが認知マップの生成にとって重要な条件の 1 つであると考えました。 1976年、オキーフはこれらのニューロンを正式に「場所細胞」と名付けました。しかし、これらの異なる立場をどのように結び付けるのでしょうか?

モーザー夫妻は海馬の隣にある嗅内皮質にグリッド細胞を発見した。これらの細胞が機能すると、非常に整然とした、グリッドのように見える、非常に不思議な六角形のパターンを形成するため、グリッド細胞と呼ばれています。研究者たちは、このグリッド細胞は、脳が 2 つの物体間の距離を反映するための座標系を構築することに関係していることを発見しました。夜中に目が覚めたときに部屋が暗くて何も見えないこともありますが、ベッドからドアまで歩くのに大体どのくらいかかるかはわかります。このプロセスでは、グリッド セルが特定の役割を果たします。 2014年、彼らはこの発見によりノーベル生理学・医学賞も受賞した。

タイムセル

当初、科学者たちは、海馬系は主に空間ナビゲーションに役立ち、脳には時間を知覚するための他の特定の領域があるかもしれないと信じていました。

しかし、いくつかの研究では、人間の海馬が損傷すると、時間に関連する機能の一部に障害が生じることが示されています。たとえば、一連の単語を学習した後、これらの単語の順序を思い出せなくなることがあります。科学者たちはまた、私たちが心の中で一連の出来事を思い出すときに海馬が活性化されることを発見しました。海馬は人間の時間の認識においても重要な役割を果たしている可能性が高いようです。

2007年、海馬ニューロンが時間を符号化できるという最初の実験的証拠が明らかになった。科学者たちはラットに5つの異なる匂いを順番に嗅ぐことを覚えるように指示し、次にラットがこれらの匂いが現れる順序を覚えているかどうかをテストした。つまり、どの匂いが先にきて、どの匂いが後からくるかということです。科学者たちは、ネズミが一連の匂いを記憶すると、海馬のニューロンに特定の活動パターンが現れるということを発見した。

他の研究者たちは、時間を符号化する際の海馬の役割を他の角度から研究してきました。先ほど述べたように、場所細胞は私たちの特定の位置と関連しており、特定の地理的空間で活性化されます。そこで彼らが提起した疑問は、私たちが同じ姿勢を保っている場合、私たちの脳はどのようにして私たちが経験するすべてのことを記録するのか、ということです。

科学者たちは、ネズミが時計回りと反時計回りに交互に回れる8の字迷路を設計した。同時に、研究者たちは迷路の真ん中に車輪を置き、ラットは円の2つの方向を切り替える間に、一定時間車輪の上を走るように要求した。この実験設計では、迷路でのラットの走行は空間位置に関連するイベントを表しますが、ロータロッドでの走行は空間位置とは関連がなく、時間のみに関連します。

実験結果は非常に興味深いです。科学者たちは、ネズミがローラーホイールの上で走り続ける限り、海馬のニューロンの一部が特定の時間に次々に放電することを発見した。たとえば、タイマーのように、1 秒目に放電するものもあれば、3 秒目に放電するものもあるかもしれません。さらに、セルの放電開始が遅くなるほど、アクティブ放電時間は長くなります。 （1-2—3---4——と同様）さらに重要なのは、ラットが反時計回りまたは時計回りに円を描いてからローラーに入り、走り始めたとき、2つの状況で放電したニューロンが異なっていたことです。しかし、動物が反時計回りに回転した後に車輪の上を走るたびに、発火したニューロンは時計回りに回転したときと同じだった。つまり、これらのニューロンの発火は時間の経過だけでなく、試験の内容とも相関していたのです。

このようにして、科学者たちは、次々に放電して全期間を満たすニューロンのこの動作モードを発見しました。彼らは、この動作モードを持つ細胞を「時間細胞」と呼びました。その後、科学者たちは人間を含むさまざまな種の脳に同様の細胞を発見しました。

//ランプセルと時間コーディングモード

海馬の時間細胞と場所細胞の間に対応関係があることを発見しましたが、嗅内皮質にはグリッド細胞に対応する細胞があるのでしょうか?

科学者たちは、隣接する脳領域である外側嗅内皮質が何をしているかに注目し始めました。現在スタンフォード大学の博士研究員であるアルバート・ツァオ氏は、2007 年にこの研究を実施しました。彼の考えは、実は心理学と関係があります。

私たちの心理的認識において、思い出してみると、これらの時代もまた一連の出来事によって表されていると感じるでしょう。科学者は、私たちの脳がこの時間の流れ、つまり出来事が起こる順序をどのように認識するかを研究したいと考えました。

彼とモーザー夫妻、そしてその同僚たちは、例えばネズミを次々と異なる色の箱に入れるなどのさらなる実験を行った。ネズミが箱に入ると、これらのニューロンの発火率が急激に増加した。時間の経過とともに、ニューロンの活動はさまざまな速度で減少します。その速度は秒単位のものもあれば、分単位のものもあります。次の試行で、ラットが箱に再び入ったとき、神経活動は再び増加しました。さらに、これらの細胞の一部の活動は各試行内で減少しただけでなく、実験全体を通して下降傾向を示しました。一方、別の細胞群の活動は増加傾向を示しました。これにより、ある傾向が明らかになった。数百のニューロンが協力して機能しているようで、それぞれが時間の経過とともに異なる活動パターンを示していた。そして、活動パターンの組み合わせに基づいて、研究者たちは、そして彼らはラットがそうできると推測したが、異なる試行（タイムスタンプのように、ボックス内の特定の期間まで信号を遡って追跡する）を分離し、順序付けることができた。これらのニューロンは「ランプ細胞」と名付けられました

この結果は、ボストン大学の認知神経科学者マーク・ハワード氏とカルティク・シャンカール氏の研究と一致している。彼らの研究では、主に数学モデルを使用して、そのような時間がどのようにエンコードおよびデコードされるか（知覚された時間のニューラル ネットワーク モデル）を特徴付け、そのモデルがそのような観察された神経構造と非常に一致していることを発見しました。

これらの時間をコード化すると、池の波紋のようになります。石を投げ込むと（出来事を表す）、波紋が広がります。ある瞬間の波紋のスナップショットを撮ると、このスナップショット内の波紋の位置は実際には時間をエンコードします。

モデルでは、このような波紋はニューロンの活動であり、波紋の変化はニューロンの活動速度を表します。何かが起こると、このニューロン群の活動率は指数関数的に減少しますが、減少率はそれぞれ異なります。

少し抽象的ですが、各ニューロンを異なる傾斜を持つ斜面として想像することができますが、各斜面の頂上には小さなボールがあります。イベントが発生すると、ランプの上からボールが同時に放出されます。したがって、将来のある時点でこれらのボールのスナップショットを撮れば、これらのボールの位置に基づいてその瞬間の時間を計算できると考えられます。ハワードのモデルでは、2 つのニューロン グループが連携してこのプロセスを完了します。最初のグループはボールをリリースする役割を担い、2 番目のグループはボールの位置に基づいて時間を計算する役割を担います。ハワード氏のチームは数学的変換を利用してこのプロセスを再現した。

ハワードのモデルが正しければ、脳が過去の記憶のタイムラインをどのように作成し、維持するかを理解できます。ハワード氏はこのタイムラインを「彗星の尾」に例えました。それは私たちの人生が続くにつれて後ろ向きに伸び、時が経つにつれてますますぼやけて単純化していきます。ニューロンの減衰は指数関数的であるため、指数関数的特性は、その変化がさまざまなスケールで一貫していることです。同じ状況は記憶にも反映されるため、10 分前の記憶は 20 分前の記憶よりも鮮明に感じられ、同様に 10 日前の記憶は 20 日前の記憶よりも鮮明に感じられます。

「タイム細胞」と「ランプ細胞」は、科学者が脳が時間とつながるために使う方法を発見した 2 つの方法にすぎません。実際、科学者たちはニューロンの発火パターンを他にも数多く発見しています。しかし、全体として、これらのモデルはすべて同じ一般的な方向性を示しています。つまり、脳は時間を分散的に記録するということです。これは、脳内に時間を記録するのに特化した「時計」があるという、これまで人々が信じてきたこととは異なります。同じ時間情報が複数の細胞によってエンコードされるだけでなく、脳の異なる領域によって異なる時間スケールがエンコードされます。エンコードされる時間スケールは、ミリ秒レベルの場合もあれば、秒、分、さらにはそれ以上の場合もあります。時間情報は、脳の領域間での伝達中に変化し、段階的に解読されることもあります。

さらに、脳による時間と空間の符号化は完全に独立した 2 つの側面ではなく、密接に関連しています。

まず、脳が時間と空間を符号化する方法は非常に似ています。場所細胞から空間情報を抽出するのとほぼ同じ方法で、時間細胞から時間情報を抽出します。何かが起こったことを思い出そうとすると、時間信号を記録したニューロンが同じ発火パターンで再び発火します。

さらに、脳内のいわゆる「時間細胞」は、特定の種類の細胞ではありません。科学者たちは、確かに発火パターンが空間または時間のみに関連するニューロンもいくつかあるが、実際にはより多くのニューロンが空間信号と時間信号の両方に同時に反応する能力を持っていることを発見した。例えば、多くの研究により、ネズミが迷路を走り抜けた後に休憩し始めると、迷路の過程で位置情報を継続的に記録していた場所細胞が、その時点の神経活動を「再生」することが示されています。つまり、ラットが動いたときに脳内でエンコードされた空間信号が、ラットが静止しているときに時間コードとして再現されたのです。たとえば、ネズミがローラーホイールの上を走るときに活性化されるいわゆる「時間細胞」は、ネズミが迷路内の特定の位置に到達したときにも放電します。これらは、位置細胞が時間細胞の機能も持っていることを示しています。

つまり、脳というのは実に神秘的なのです。神秘的な脳と神秘的な時間が出会うと、さらに魅力的になります。脳が時間をどのように符号化するかについては、まだ多くの未解決の疑問が残っています。たとえば、脳が記録した相対的な「タイムスタンプ」から正確な時間をどのように読み取るのか、ニューロンが時間の変化に応じて発火パターンを変えることができるのはなぜか、などです。普通の人々として私たちにできるのは、自然の驚異に驚嘆し、科学者が私たちのために霧を晴らしてくれるのを待つことだけです。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

チーム/著者名: Global Science

レビュー: タオ・ニン

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司