Πώς ο εγκέφαλος «κρατά» το χρόνο: Μελέτη αποκαλύπτει μοτίβα των νευρώνων που συνδέονται με τη μέτρησή του.

Η παρακολούθηση του χρόνου είναι πολύ σημαντικής σημασίας για πολλές εργασίες, όπως το παίξιμο πιάνου, η κίνηση μιας ρακέτας του τένις ή ο έλεγχος μιας συνομιλίας. Νευροεπιστήμονες στο MIT και στο Πανεπιστήμιο Columbia θεωρούν ότι τώρα έχουν καταλάβει πώς οι νευρώνες σε ένα μέρος του εγκεφάλου μετρούν χρονικά διαστήματα και τα αναπαράγουν με ακρίβεια.

Οι ερευνητές αυτοί βρήκαν ότι ο πλευρικός ενδοβρεγματικός φλοιός (lateral intraparietal cortex – LIP), ο οποίος παίζει ρόλο στην αισθητικοκινητική λειτουργία, αναπαριστάνει τον χρόνο που περνά, καθώς τα ζώα μετρούν και στη συνέχεια αναπαράγουν ένα χρονικό διάστημα. Απέδειξαν επίσης πώς τα πυροδοτούμενα μοτίβα του πληθυσμού των νευρώνων στον LIP, θα μπορούσαν να συντονίσουν αισθητηριακές και κινητικές πτυχές του χρονισμού.

Ο LIP πιθανά είναι μόνο ένας κόμβος σε ένα κύκλωμα που μετρά το χρόνο, λέει ο Mehrdad Jazayeri, ο επικεφαλής συγγραφέας της δημοσίευσης που περιγράφει την έρευνα στην έκδοση του Current Biology, της 8ης Οκτωβρίου.

«Δεν θα συμπέραινα ότι ο βρεγματικός φλοιός είναι ο μετρητής του χρόνου», λέει ο Jazayeri, επίκουρος καθηγητής εγκεφάλου και γνωστικών επιστημών στο MIT και μέλος του Ινστιτούτου McGovern για την έρευνα του εγκεφάλου. «Αυτό που κάνουμε είναι να ανακαλύπτουμε υπολογιστικές αρχές που εξηγούν πώς εξελίσσονται με το χρόνο οι ρυθμοί πυροδότησης των νευρώνων και το πώς αυτό σχετίζεται με τη συμπεριφορά των ζώων σε απλές προσπάθειες. Μπορούμε να εξηγήσουμε μαθηματικά τι συμβαίνει».

Ο Jazayeri, ο οποίος προσχώρησε στο προσωπικό του MIT το 2013, άρχισε να μελετά τον χρονισμό στον εγκέφαλο πριν από μερικά χρόνια, ως μεταδιδακτορικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. Άρχισε ελέγχοντας της ικανότητα των ανθρώπων να μετρούν και να αναπαράγουν το χρόνο χρησιμοποιώντας μια δράση που ονομάζεται «ready, set, go». Σε αυτό το πείραμα, το υποκείμενο μετρά το χρόνο μεταξύ δύο λάμψεις (φλας) («ready» και «set») και στη συνέχεια πιέζει ένα κουμπί («go»), την κατάλληλη στιγμή, η οποία είναι μετά από ένα ίσο χρονικό διάστημα με αυτό που οριοθετούσε το «ready» και το «set».

Από αυτές τις μελέτες, ανακάλυψε ότι οι άνθρωποι δεν μετρούν απλώς ένα διάστημα και στη συνέχεια το αναπαράγουν. Μάλλον, μετά τη μέτρηση ενός χρονικού διαστήματος συνδυάζουν αυτή τη μέτρηση, η οποία είναι ανακριβής, με προηγούμενη γνώση τους για το πόσο θα μπορούσε να ήταν το διάστημα. Αυτή η προηγούμενη γνώση, η οποία ενισχύεται καθώς επαναλαμβάνεται η δράση πολλές φορές, επιτρέπει στους ανθρώπους να αναπαράγουν το χρονικό διάστημα με μεγαλύτερη ακρίβεια.

«Όταν οι άνθρωποι αναπαράγουν το χρόνο, δεν φαίνεται να χρησιμοποιούν ένα χρονομέτρη», λέει ο Jazayeri. «Είναι μια ενεργή πράξη πιθανολογικού συμπεράσματος που συνεχίζεται».

Για να βρει τι συμβαίνει στον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ο Jazayeri κατέγραψε τη νευρωνική δραστηριότητα στον LIP (τον πλευρικό ενδοβρεγματικό φλοιό) πιθήκων που εκπαιδεύτηκαν να εκτελούν την ίδια εργασία. Σε αυτές τις εγγραφές, βρήκε διακριτά μοτίβα στη φάση μέτρησης (το διάστημα μεταξύ των «ready» και «set») και στη φάση παραγωγής (το διάστημα μεταξύ των «set» και «go»).

Κατά τη φάση της μέτρησης, η δραστικότητα του νευρώνα αυξάνει, αλλά όχι γραμμικά. Αντί αυτού, η κλίση της δραστηριότητας αρχίζει ως μια απότομη καμπύλη που βαθμιαία ισιώνει καθώς περνάει ο χρόνος, μέχρι ότου δίνεται το σήμα «set». Αυτό είναι το κλειδί, διότι η κλίση στο τέλος του μετρημένου διαστήματος προβλέπει την κλίση της δραστηριότητας στη φάση παραγωγής.

Όταν το διάστημα είναι σύντομο, η κλίση κατά τη διάρκεια της δεύτερης φάσης είναι απότομη. Αυτό επιτρέπει τη δραστηριότητα να αυξηθεί γρήγορα, έτσι το ζώο μπορεί να παράγει ένα σύντομο χρονικό διάστημα. Όταν το διάστημα είναι μεγαλύτερο, η κλίση είναι πιο ήπια και παίρνει περισσότερο για να φτάσει το χρόνο απόκρισης. «Καθώς ο χρόνος περνά κατά τη διάρκεια της μέτρησης, το ζώο γνωρίζει ότι το χρονικό διάστημα που πρέπει να παράγει είναι μεγαλύτερο και ως εκ τούτου απαιτεί μια μικρή κλίση», λέει ο Jazayeri.

Χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα, οι ερευνητές μπορούσαν να προβλέψουν σωστά, με βάση την κλίση στο τέλος της φάσης μέτρησης, όταν το ζώο θα παράγει το σήμα «go».

«Προηγούμενη έρευνα έχει δείξει ότι ορισμένοι νευρώνες παρουσιάζουν μια αύξηση του ρυθμού πυροδότησής τους, που κορυφώνεται με την έναρξη μιας χρονομετρούμενης κινητικής αντίδρασης. Αυτή η έρευνα είναι συναρπαστική, επειδή παρέχει την πρώτη ένδειξη ως προς το τι μπορεί να ελέγξει την κλίση αυτής της «νευρικής αναδιάταξης», ειδικά ότι η κλίση της αύξησης μπορεί να καθορίζεται από το ρυθμό πυροδότησης κατά την έναρξη του χρονομετρούμενου διαστήματος», λέει ο Dean Buonomano, καθηγητής της συμπεριφορικής νευροεπιστήμης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Los Angeles ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Όλες οι γνωστικές και κινητικές λειτουργίες βασίζονται σε κάποιο βαθμό στο χρόνο. Ενώ ο LIP αναπαριστάνει το χρόνο κατά τη διάρκεια του διαστήματος αναπαραγωγής, ο Jazayeri πιστεύει ότι ο εντοπισμός του χρόνου συμβαίνει σε όλα τα εγκεφαλικά κυκλώματα που συνδέουν υποφλοιώδεις δομές, όπως ο θάλαμος, τα βασικά γάγγλια και η παρεγκεφαλίδα στο φλοιό. «Ο χρονισμός πρόκειται να είναι ένα ιδιαίτερα διανεμημένο πρόβλημα για τον εγκέφαλο. Δεν πρόκειται να είναι ένα μέρος του εγκεφάλου που κάνει χρονισμό», λέει.

Το εργαστήριό του ερευνά τώρα πολλά ερωτήματα που τίθενται από την παρούσα μελέτη. Σε μία συνέχεια του πειράματος, οι ερευνητές διερευνούν το πώς η συμπεριφορά των ζώων και η δραστηριότητα του εγκεφάλου αλλάζουν με βάση τις προσδοκίες τους για το πόσο καιρό θα διαρκέσει το πρώτο διάστημα. Σε ένα άλλο πείραμα, εκπαιδεύουν τα ζώα να αναπαράγουν ένα χρονικό διάστημα για να μετρηθεί δύο φορές. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα δείχνουν ότι κατά τη διάρκεια του δεύτερου διαστήματος, τα ζώα βελτιώνουν τη μέτρηση που πήραν κατά τη διάρκεια του πρώτου διαστήματος, πράγμα που τους επιτρέπει να έχουν καλύτερες επιδόσεις από ότι όταν κάνουν μία μόνο μέτρηση.

Πηγή: MIT News

Περισσότερα στη μελέτη: A Neural Mechanism for Sensing and Reproducing a Time Interval, Current Biology