Дин Буономано - Мозг – повелитель времени

• Название: Мозг – повелитель времени
• Автор: Дин Буономано
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-04-095335-6

Где хранятся наши воспоминания и можно ли предвидеть будущее? Человеческий мозг совершенно по-особому относится ко времени, отсюда и шестое чувство, и ощущение быстротечности и стремительности жизни. Как это работает, выяснил известный американский нейробиолог Дин Буономано с помощью результатов революционных исследований. Как же наш мозг ощущает и считывает время? Что такое чувство времени? Как связано оно с распознаванием речи и музыки? Можно ли на самом деле путешествовать во времени? Ответы – в этом бестселлере серии «Большая наука».

---

Сможем мы разгадать эту маленькую тайну или нет, но маниакальное желание мышей, крыс и хомяков побегать в колесе помогло нам сильно продвинуться в понимании того, как мозг определяет время, по крайней мере, время суток. Представленный на рис. 3.1 график называется актограммой42 и отражает движение мыши в колесе. Каждый раз, когда колесо совершает полный круг, прибор рисует вертикальную черточку. Для наглядности и во избежание промежутков на графике данные для следующего дня показаны справа и внизу по отношению к данным каждого текущего дня. Черно-белая полоска вверху отражает 24-часовой цикл с включенным и выключенным светом. Мыши и крысы – ночные животные, поэтому они предпочитают бегать в колесе ночью, но в лаборатории их «ночь» может быть нашим днем, т. к. биологи часто изменяют световой цикл животных, чтобы студентам не приходилось работать по ночам. Судя по графику, как только выключают свет, мыши забираются на колесо и начинают бегать, спрыгивая и вновь возвращаясь на протяжении всей ночи. Через несколько дней после начала эксперимента ученые полностью отключали свет. Но, как следует из графика, даже при отсутствии внешних сигналов относительно времени суток мыши продолжали следовать обычному суточному ритму со сменой активности и покоя. Однако в полной темноте происходило что-то интересное: длительность суточного цикла изменялась от привычных 24 ч до чуть более короткого периода; это видно по постепенному сдвигу графика влево. Таким образом, по крайней мере у мышей, цикл сна и бодрствования не соответствует в точности 24 ч.

КАК ПОДРОСТКИ, КОТОРЫЕ ТРАТЯТ С ТРУДОМ ЗАРАБОТАННЫЕ ДЕНЬГИ НА ИГРОВЫЕ АВТОМАТЫ, ТАК И ГРЫЗУНЫ ГОТОВЫ «ПОРАБОТАТЬ» ЗА ВОЗМОЖНОСТЬ ПОБЕГАТЬ В КОЛЕСЕ. А ЕСЛИ К КОЛЕСУ ПРИКРЕПЛЯЮТ ТОРМОЗА, КРЫСЫ НАЖИМАЮТ НА РЫЧАГ, ЧТОБЫ ОТСОЕДИНИТЬ ТОРМОЗА И РАЗОГНАТЬСЯ.

Рис. 3.1. Актограмма движения мыши в колесе. Ночная активность мыши отражается в виде вертикальных черных штрихов, соответствующих полному обороту колеса. Если мыши постоянно находятся в темноте, их циркадный ритм сохраняется, но его период снижается до 23,5 ч, что видно по смещению графиков влево. Для наглядности и во избежание промежутков на графике данные для каждого следующего дня показаны справа и внизу по отношению к данным текущего дня. Воспроизводится с модификациями в соответствии со статьей Yang et al., 2012.

На протяжении тысячелетий считалось, что суточные вариации длительности сна и бодрствования определяются внешними сигналами, главным образом, временем заката и восхода. Однако эксперименты такого типа, как описан на рис. 3.1, показали, что даже при отсутствии внешних сигналов у животных продолжается привычный ритм сна и бодрствования, питания и изменений температуры тела. Такая цикличность означает, что где-то в организме существуют внутренние часы, отсчитывающие циркадный (circadian) ритм жизни (circa означает «около», а dian означает «день»).

Насколько точны эти внутренние (биологические) часы, и как их сопоставить с часами, сделанными руками человека? Главные характеристики любых часов – как биологических, так и рукотворных – стабильность хода и точность. Стабильность отражает среднее отклонение показаний за множество циклов, тогда как точность указывает на близость показаний часов к эталонному значению. Если колебание маятника должно совершаться за 1 с, а средний период колебания составляет 0,8 с, такие часы нельзя назвать очень точными (погрешность составляет 20%). Но если за десятки тысяч колебаний минимальный и максимальный период колебания остается в пределах от 0,79999 до 0,80001 с, стабильность хода таких часов очень высока. Как следует из рис. 3.1, период циркадного ритма мышей не соответствует в точности 24 ч, а ближе к 23,5 ч.43 Таким образом, по отношению ко времени вращения планеты биологические часы мышей все же достаточно точные (отклонение составляет около 2%). У животных, ведущих ночной образ жизни, период циркадного ритма обычно чуть меньше 24 ч, а у животных, ведущих дневной образ жизни, таких как человек, он чуть больше 24 ч. А вот стабильность биологических часов весьма показательна. Это видно из рис. 3.1: сдвиг к более раннему началу активности примерно одинаков изо дня в день. Исследования показывают, что при жизни в полной темноте стандартное отклонение времени начала активности мышей не превышает 10–20 мин, что для периода в 23,5 ч составляет около 1%44.

Именно эта удивительная стабильность циркадного ритма, по-видимому, позволяет некоторым людям ежедневно просыпаться в одно и то же назначенное время. Вот что писал об этом Уильям Джеймс в трактате «Принципы психологии»: «Всю жизнь меня поражало, что каждую ночь и каждое утро я просыпаюсь в одно и то же время с точностью до минуты». Однако в лабораторных экспериментах такая удивительная стабильность наблюдается далеко не всегда. По-видимому, самопроизвольное пробуждение отчасти связано со способностью спящего мозга улавливать какие-то внешние сигналы45. Тем не менее, как мы увидим в главе 7, стабильность в 1% превышает стабильность часовых механизмов, создававшихся часовщиками вплоть до XVII в., когда Христиан Гюйгенс изобрел новые часы с маятником.

ЖИЗНЬ В ИЗОЛЯЦИИ

Циркадный ритм, наблюдающийся без воздействия каких-либо внешних сигналов, называют свободным циркадным ритмом. Изучение свободного циркадного ритма у людей осложняется тем, что для таких экспериментов нужны добровольцы, соглашающиеся жить в полной изоляции от внешнего мира на протяжении многих дней или даже месяцев. В одном из самых знаменитых экспериментов такого рода в 1972 г. французский геолог Мишель Сифр шесть месяцев прожил в пещере в Техасе. Эксперимент был выполнен в рамках одного из проектов НАСА, предпринятого с целью изучения влияния длительной изоляции на тело и мозг участников будущих межпланетных экспедиций. Сифр расположился в пещере глубоко под землей, куда ему поставляли воду и пищу, и где установили оборудование, регистрировавшее его режим сна. Освещенность и температура в пещере никак не менялись в зависимости от времени суток на поверхности, так что Сифр никак не мог определить время. Он жил в «свободном ритме», но, в отличие от лабораторных мышей, не был в постоянной темноте. В любой момент он мог позвонить на поверхность и попросить включить или выключить свет в пещере.

У мышей в подобных экспериментах не было выявлено явных признаков дискомфорта или физиологического стресса. Мы вполне можем представить себе диких мышей, по многу дней живущих в подвалах или пещерах в полной изоляции от каких-либо источников света. Кроме того, для грызунов зрение не так важно, как для людей. Крысы и мыши – ночные животные, и поэтому для ориентации в пространстве они в гораздо большей степени полагаются на уши и чрезвычайно сложно устроенные усики, чем на глаза. Люди переносят подобные эксперименты намного хуже. Сифр страдал от приступов депрессии, провалов в памяти, забывчивости и даже помышлял о самоубийстве. И его циркадный ритм совершенно нарушился. В первые дни он растянулся до 25 или 26 ч, затем стал очень изменчивым. Иногда сутки для Сифра растягивались на 48 ч: он спал по 16 ч и бодрствовал более 32 ч.

На 179 день Сифру объявили, что эксперимент закончен. Он был очень удивлен, поскольку считал, что пробыл в пещере 151 день, т. е. он ошибся на 16%. Время для него растянулось, и его внутреннее ощущение течения времени замедлилось по сравнению с реальным временем. Учитывая тяжесть нахождения в изоляции, трудно предположить, что он недооценивал проходящие часы.

Такая форма растяжения времени наблюдалась и в других экспериментах по изоляции людей. В 1988 г. Вероника Ле Гуэн прожила в пещере во Франции 111 дней, а когда вышла на поверхность, считала, что прошло только 42 дня! В 1989 г. итальянский дизайнер интерьеров Стефания Фоллини провела четыре месяца в пещере на глубине 50 футов. Но сама она считала, что пробыла под землей только два месяца. В 1993 г. итальянский социолог прожил в подземной пещере целый год, а когда вышел на поверхность 5 декабря, то считал, что было 6 июня46.

Ограниченность таких экспериментов заключается в том, что участвующие в них люди, возможно, не полностью отключены от внешних сигналов. В пещерах существует собственная биосистема; к примеру, там живут летучие мыши и насекомые, по поведению которых можно понять или почувствовать время на поверхности. Так, Сифр рассказывал о своих неудавшихся попытках подружиться с жившей в пещере мышью, а мышь, скорее всего, показывалась по ночам. Чтобы справиться с подобными ограничениями и избавить добровольцев и ученых от необходимости проводить долгое время в удалении от других людей, биологи осуществляют эксперименты в специализированных лабораториях или в бункерах.

В 1985 г. были опубликованы результаты экспериментов, в ходе которых 42 добровольца находились в изоляции от одной недели до одного месяца. В бункерах они жили в одиночных помещениях и не получали никакой информации относительно времени во внешнем мире. Они сами готовили себе еду и могли самостоятельно включать и выключать свет. Они должны были сообщать о времени пробуждения и отхода ко сну, а температуру их тела постоянно контролировали. По оценкам большинства участников эксперимент длился на 20–40% времени меньше, чем на самом деле47. Как и в экспериментах в пещерах (и в отличие от экспериментов с грызунами), циркадный ритм людей часто сбивался.