我们如何感知时间？| 高瓴Curiosity

导读：人类非常善于记录时间的流逝。我们除了在生活中需要优秀的时间管理，我们的身体和大脑所做的几乎所有事情都需要精确的时钟，甚至精确到毫秒。我们体内复杂的“时间时钟”或许比任何人造钟表都要精密。

时间感是我们行为和感知世界的基础。如果没有敏锐的时间感，我们的生活将会变成一团乱麻，无法移动和交谈，更没有办法记忆或学习。

或许我们平时不会意识到，但即使是走在街上这样简单的行为，都需要身体精密的计时控制。肌肉发力，关节稳定，它们必须在一个精确编排的时间序列中发生，只不过这些事情都“伪装”成了日常生活中毫不起眼的一部分。

时间帮助我们感知世界，那我们又是如何感知时间的？这类问题非常困难，它可能有成千上万种复杂的答案，完全取决于科学家提出的具体问题究竟是什么。

壹

严格说来，时间与事件不同，我们并不像感知外界的事件那样感知时间。1978年，神经科学家波佩尔（Ernst Pöppel）提出了“基本时间体验”（elementary time experiences）的许多方面。我们的时间体验包括时长、非同时性、顺序、过去与现在、时间流逝的变化等等。可以说，时间的概念几乎渗透到了大脑进行的每一件事情当中。

许多科学家认为，大脑中的很大一部分可能都有能力以某种方式感知和响应时间。大脑可能包含许多不同种类的时钟，它们以不同的速率运行。某些部分处理毫秒的信息，其他部分则记录数十年的信息。一些神经时钟负责身体运动，另一些则监控从感官传入的信息。大脑的一些部位可以对未来进行时间预测，而记忆的时间则在其他地方处理。

大脑中的一些“计时器”。研究表明，当一个人被要求估计一段时间时，部分大脑区域（左）会负责处理一些外显计时的方面。其他区域（右）则涉及内隐计时，也就是在没有直接要求的情况下，对事件的时长进行计时预测。部分大脑区域有重叠。| 图片来源：F. PIRAS ET AL/FRONTIERS IN NEUROLOGY 2014

随着神经科学的飞速发展，有关时间感知的神经实验也丰富多彩。科学正在逐步揭示出一个令人惊讶的复杂的神经计时系统，它比任何人造钟表都要精密。这些“神经时钟”互相影响，它们拼凑在一起，准确地反映出了外部世界中与时间有关的各个方面。

贰

从实验的角度来说，研究人员可以利用不同手段窥探大脑和神经的工作——对人脑进行直接研究，派出大鼠作为“代表”参与实验，甚至可以分离出单个的神经细胞，直接在培养皿中观察。

对人脑的研究是最直接的，因为神经细胞并不是孤立的，它们处于大脑复杂多样的网络中。但从某种意义上来说，对人脑的研究又是最麻烦的，因为我们不能真的“打开”人脑去研究。神经成像技术的发展帮助研究人员很好地解决了这个难题。

功能性磁共振成像（fMRI）就是其中的代表之一。fMRI的原理可以简单理解成，当神经细胞活跃时，它们需要更多血液和氧气，这种变化能被“扫描”出来。人脑的扫描成像揭示了大脑如何处理时间各个方面的线索，暗示了皮质、基底节与小脑的作用。

神经科学家奥弗拉特（Tobias Overath）和同事设计了“声音被子”的实验，他们将30到960毫秒的极短片段拼接在一起，形成长串的语音。大脑扫描显示，随着“声音被子”的长度变长，颞上沟变得越发活跃。这项发现是一个极好的例子，说明大脑在将不同的声音片段合并成有意义的单词时，是如何使用精确的计时信息的。虽然这个结果并不是直接关于时间或者计时本身，但却是非常有说服力的证据，证明时间如何在一些基本而重要如语言等事物上发挥作用的。

 通过仔细拼凑语言片段，研究发现颞上沟对较长的声音片段反应更强烈。| 图片来源：ScienceNews

奥弗拉特介绍，目前还不清楚颞上沟的单个神经元是如何追踪延长的声音的。大脑扫描目前还达不到检测单个神经细胞行为所需的分辨率。但对动物的研究或许能提供一些线索。

大鼠是神经科学家经常“合作”的对象之一。在大鼠身上的一项研究清楚地解释了一些细胞是如何标记秒的。实验中，大鼠被训练学会按下杠杆喝水，但水只在一定时间后才会出现。这些大鼠很快学会了不要太早地浪费体力推动杠杆，这种行为显示了它们的计时能力。

在大鼠计时的过程中，神经科学家梅洛（Gustavo Mello）用电极“窃听”了老鼠纹状体的神经元，这是一个被认为对时间感知很重要的脑区。研究发现了能够按顺序发出电信号的细胞，这一过程跨越了整个等待期。这些细胞一直在追踪那些流逝的秒数。

更重要的是，许多细胞会改变它们的行为，即使时间间隔变长，它们仍然能保持在序列中的正确位置。

 图中4行代表着大鼠大脑纹状体区域的4个神经元，它们通过按顺序发出信息来标记时间（上）。当它们需要计算更长一段时间时，它们的活动会延长（下），填补更大的时间间隔，但发出信号的顺序依旧保持不变。| 图片来源：H. MOTANIS AND D. BUONOMANO/CURRENT BIOLOGY 2015

梅洛把这些细胞比作橡皮筋，橡皮筋可以伸长和缩短，这些细胞也可以“伸缩”，来填满必要的时间。这一结果表明，神经元编码的是相对时间，而不是绝对时间。

在另一项实验中，参与实验的仍然是大鼠。神经科学家范东恩（Antonius VanDongen）和同事将大鼠大脑皮质的神经元移到培养皿中。这些细胞通过基因工程被设计成对能蓝光做出反应。随后，研究小组用“音乐”来款待这些细胞——他们根据歌曲的节奏和音符精心安排了光的模式变化。当“听到”歌曲时，神经元可以分辨出它们是在听古典音乐还是拉格泰姆音乐（一种节奏很有特点的音乐形式），部分是因为不同计时信号的作用。

 科学家将舒伯特即兴曲组（上）转换成不同的定时光脉冲模式（中）。当细胞“倾听”时，他们的活动能够探测到古典音乐在播放，而不是拉格泰姆音乐（下）。| 图片来源：H. JU ET AL/J. NEUROSCI. 2015

范东恩认为，这些结果表明，时间处理是大脑的基础，这是一件非常基本的事情。一小群神经元可能是一块积木，它们共同搭建起更复杂的时间处理。

叁

对大脑计时器工作原理的更深入理解，也可能揭示出更深刻的东西，例如大脑是如何构建现实的。

我们知道，一些大脑时钟可以在不同的尺度上计时。大脑能够将频率各异的信息联系在一起，形成一种有意义的体验。有时，大脑也需要将存在微小时间差的信号编织成统一的体验，带我们认识“现在”。

到目前为止，科学家仍在努力理解所有线索。研究人员试图模拟更贴近现实世界的情景，实验也开始变得越来越复杂。比如，在现实世界中，我们不会一次只对一件事情计时，而忽略其他事情。一些科学家正在努力研究大脑如何跟踪多个同时发生的事件。操纵神经元的新技术也将使科学家有机会推进这一领域的研究。

所有这些都为我们接近时间这个宏大的概念，提供了多个可能的途径。

参考来源：

https://www.sciencenews.org/article/how-brain-perceives-time

https://plato.stanford.edu/entries/time-experience/

封面图来源：Pixabay