神经元能够标记时间吗？

编译 毛毛熊

2007年6月，马来西亚人年轻人（19岁）阿尔伯特·曹（Albert Tsao）在挪威特隆赫姆的卡夫利系统神经科学研究开始了他的工作。曹当时是梅-布里特·莫泽( May-Britt Moser)和爱德华·莫泽（Edvard Moser）实验室的一位暑期实习生，这对夫妻搭档是当时神经生物学领域声名显赫的科学家，他们发现了神经系统中的“网格细胞”（这是一类特殊的神经元，可以通过追踪我们的位置在人类大脑中生成导航地图）。

网格细胞位于大脑内侧的内嗅皮层区。曹对于相邻但未知的区域——外侧内嗅皮层区（L. E. C.）感到非常好奇。于是他设计了一个实验：在一些大鼠的外侧内嗅皮层中植入了一些微小的电极后，让这些大鼠在一系列盒子中觅食谷物巧克力。这些盒子有黑色的，也有白色的。他记录下大鼠在觅食过程中单个神经元电信号的变化，以期能够找到某种规律性模式，在发现这个实验没有明显的电信号出现时，他把这些数据暂时放在了一边。

时光飞逝，曹转眼成为特隆赫姆实验室的博士研究生。2014年，莫泽夫妇与其他人分享了诺贝尔生理学与医学奖。到了2015年，就在曹博士毕业之前，他决定再看看外侧内嗅皮层区的实验数据。8年前，当他检测大鼠在觅食过程中神经元的个体变化时，这些神经元似乎在不稳定的模式中发射电信号，这些放电模式看起来毫无意义。这一次，他对数据使用了一种不同寻常的统计分析方式，重点关注是这些神经元发射电信号的综合模式。当他仔细查看这些数据时，他开始有一种预感，神经元似乎以某种方式参与标识了时间的变化。

为了验证这个想法，在莫泽实验室，曹联合同事们开展了更多的实验。让大鼠在黑、白两色盒子中进行了多达12轮的觅食活动，同时收集神经元的电信号。等这个新实验完成时，曹已经搬回美国，并在美国对获取的数据再次进行统计分析，研究在所有大鼠觅食探险过程中外侧内嗅皮层区神经元整体电信号的活动。结果显示似乎大脑区域对每次觅食活动都分别做了记录。曹接着还分析了另一组数据，这个数据来自于一个大鼠围绕八字形迷宫连续运动的行为学实验。 在这个实验中，外侧内嗅皮层神经元没有分开运行，而是所有激活的神经元发射电信号堆叠在彼此之上。然而，在每个单独的试验中，神经元似乎标记了动物在运动过程中的不同地点的进展。

曹现在是斯坦福大学的博士后。2018年秋天早些时候在帕洛阿尔托见到他时，这篇文章已经发表在9月《自然》杂志上。在这篇文章中，研究人员也有些争论，主要围绕外侧内嗅皮层区中的神经元通过创建“时间戳”（timestamps）的方式记录事件展开顺序。根据动物的不同经历，细胞发射电信号模式发生的变化现象表明外侧内嗅皮层区不是通过手表那样的方式来测量时间。而恰恰相反，曹认为：“它是通过编码进行中的经历来记录。”

大脑皮层究竟如何记录我们记忆的时间、地点和内容一直是神经科学家长期以来想迫切了解的内容。目前认为网格细胞有助于编码人类记忆中事件发生的位置。在一个视频电话中，梅-布里特解释了L. E. C.的网络神经元细胞结构是如何管理人类的记忆。 （梅-布里特和爱德华仍然在一起管理着他们的实验室，但他们在2016年离婚了。）目前，研究人员推测，大鼠大脑可以区分当前的一次觅食活动与下一次觅食活动，因此大鼠大脑的外侧内嗅皮层区为每次觅食活动形成单独的“时间戳”。相比之下，大鼠围绕“八字形轨道运动”的轨迹非常相似，以至于大脑很难将这些运动轨迹彼此分开。爱德华说道：“结果，‘时间戳’变得彼此重叠并且难以区分。”

曹和爱德华认为，外侧内嗅皮层区的时间编码系统可能是目前我们对时间进行主观感知的基础。他们的理论基础是海马体中的神经元，依赖于外侧和内侧内嗅皮层中定位和编码时间的网络信息的输入。“我们认为，同种类型的细胞能够获得空间和时间的信息。”爱德华通过SKYPE发布了上述这些信息。一旦两种类型输入的信息“混合在一起”，大脑记忆就获得了事件发生的时间和地点。

近些年来，围绕海马神经元系统中其他类型的“内部时钟”的研究工作，使得神经科学领域出现了一个蓬勃发展的子学科。波士顿大学的研究人员于2011年发现了“时间细胞”，标志着神经系统“时钟”的分秒运动模式被发现；2011年10月，美国西北大学的生物学家宣布，他们在大脑内侧内嗅皮层中发现了一组神经元，这组神经元在动物处于等待状态时会像钟表一样开启。

曹的实验分析也发现一些外侧内嗅皮层区的神经元显示出类似计时器一样的电信号发射模式。在大鼠盒子觅食实验中，有些细胞在每次实验过程中电信号的发射都会减慢，就像音乐盒播放音乐一样；而另外一部分细胞在12次实验过程中都出现电信号衰退的现象，而且持续了一个多小时。在大脑的其他区域中，研究人员也研究过各种类型的“神经元计时器”。

然而，研究人员对这些神经元细胞究竟通过这种现象在记录什么也存在着激烈的争论。纽约大学的神经科学家哲尔吉·布扎基（György Buzsáki）因其对“神经元语法”的解码工作而备受关注，该神经元语法允许使用尖峰神经元的集合对信息进行解码。布扎基指出，实验人员观察到与时间测量相关的神经活动这一事实并不意味着他们已经找到大脑计算或标记时间的机制，需要通过实验显示大脑的其他区域能够读取并且使用这些暂时性的信号才有说服力。

对于我们大多数人来说，不言而喻的是，人类的大脑一定具有某种类似时间“感应”的东西——一种可以跟踪记录时间流逝的系统，它可以检测到可见世界的变化。布扎基在近期的一次讨论中提到了这一点。无论我们的神经元在感知过程中测量什么，它都不是以时钟的方式进行标记。此外，他还认为，时间和时钟都是人类社会文化构建的产物，即当代社会继承了祖先的传统。一些原始部落与我们体验时间的方式截然不同。

“它一定测量了其他某种东西，比如说变化、速度或者加速度，我们大脑确实具有某种传感器的功能。”布扎基认为。如果如这样所想的话，大脑对“时间”的处理，并不是一种用“追踪”或者“衡量”的方式去绝对化地理解，它更像是一个组织体系，感知周围世界的变化并且协调我们的生活。

爱德华完全同意“当然时间就是一种变化”这种理解。如果用另外一种方式描述他的实验室对外侧内嗅皮层区实验的分析结果，即揭示了实验过程中不断变化的活动顺序。“我们可以称之为‘情景性时间’，以区别于‘时钟时间’，”他说，“我们必须赋予它一个名字，否则将其称为‘变化率’显然更无法帮助我们理解。”

特隆赫姆的研究小组认为，外侧内嗅皮层的时间信号分布在数千个神经元细胞上，这些神经元以几十秒到一个多小时的尺度来表达时间。神经科学家通过各种方法试图确定这些神经元的特定功能，爱德华在SKYPE描述了其中一些测量方法。一种方法是阻断大鼠的外侧内嗅皮层的活动，然后研究动物如何通过记忆一系列的时间来完成特定的任务。检查阿尔兹海默症患者也可以提供类似的线索：内嗅皮层区是患病后受到影响的第一个大脑区域，患者大脑出现导航记忆的问题也是罹患这种疾病的标志。

然而，从另一个角度来看，时间神经科学的新发现只是说明了我们对时间知之甚少。我们认为我们知道什么是时间，但是，时间的本质是一个谜，在整个学科和数千年中都是令思想家感到沮丧的未解之谜。奥古斯丁在第四世纪指出的悖论—— “那么，时间是什么？如果没有人问我，我知道答案；如果我想向那个提问的人解释，我其实不知道答案” 。直到今天仍然如此。

资料来源 The New Yorker