大腦如何記住時間？

陳戈

如果讓你復述一下你今天早上做了些什么，你可能會敘說出這樣的場景：起床，刷牙，洗臉，穿好衣服，吃了早餐，或許還遛了遛狗。你很容易就發現，在回憶和復述這段經歷時，你清楚地記得每個情景發生的不同時間，比如你先刷牙再洗臉，在回憶和復述時也一定是先刷牙再洗臉。那你知道大腦是如何記住做這些事情的不同時間的嗎？答案就在大腦記憶最重要的區域——海馬體。

神秘的海馬體

海馬體通常被認為是空間位置記憶細胞的所在處。

當我們到達某個特定位置時，海馬體中一些特定的神經元細胞即位置細胞，就會被激活，創建一個有關機體自身周圍空間位置的腦內地圖，激活的細胞就像標記，記住機體的具體位置。而海馬體內的頭部方向細胞能辨別頭部的朝向，朝向不同方向時，不同的細胞興奮。在海馬體的一個叫內嗅皮層的區域中，另一組被稱為網格細胞的神經元細胞會對你行進的距離作出反應。這些細胞的組合使我們知道自己位于空間何處、如何在復雜的環境中找到方向，以及從一個地方走到另一個地方需要多遠。因此，海馬體也可以說是大腦內部的“GPS”，是空間記憶的主要組成。

海馬體是否只能記住空間位置？一次手術似乎讓科學家們對海馬體記憶功能有了其他的看法。

1953年9月1日，一位神經外科醫生進行了一次冒險的手術：為了治療癲癇患者，他切除了患者大腦中的海馬體和周圍組織。手術確實減弱了患者的發作頻率和反應強度，但患者的記憶卻出了很大的問題：他再也無法對記憶進行排序。無論是早上剛吃的早餐、最近的新聞頭條，還是幾分鐘前剛剛認識的陌生人，他不像平常人一樣能正確復述出所經歷的情景的時間順序。一些科學家為之振奮：“也許，海馬體的某些細胞可能和時間記憶有著密切聯系”。

時間細胞出現

為了找到海馬體中有關時間記憶的細胞，一些科學家做了這樣一個實驗：將電極植入到老鼠的海馬體中，記錄神經元細胞放電行為。然后讓老鼠在小型跑步機上跑步，這樣可以使老鼠的位置和行為保持不變，科學家就可以專注于與時間相關的神經信號。每當老鼠跑15秒，科學家就給予它食物上的獎勵。

他們發現，在一遍又一遍地重復實驗后，老鼠的大腦學會了追蹤獎勵和下次獎勵之間的15秒間隔。神經元細胞形成了一種特殊的放電模式——一些神經元細胞在1秒時發出信號，一些神經元細胞在2秒時發出信號……直到15秒過去。由于這些神經元細胞在不同的時間點發出信號，通過分析這些信號，老鼠就可以知道時間過去了1秒、2 秒還是15秒。

當科學家們將15秒延長到30秒，神經元細胞發射信號的時間點就發生了變化，它們產生了一種新的放電模式來填滿新的時間間隔，比如原來是以1秒為單位發射信號，現在是以2秒為單位。這就像給神經元細胞重新編程，讓它們按照不同的時間刻度走一樣。這項研究表明，我們可能也是依靠這種模式，意識到時間流逝了多少，就像司機們總是知道還有多長時間黃燈就變成綠燈一樣，有時，他們甚至還能精準到零點幾秒——這是因為神經元細胞編程為每0.1秒發射一次信號的放電模式。

而另一組科學家們發現，在300個海馬體神經元細胞中，大約有100個神經元符合這種在不同時間點一個接一個地發射信號的模式。而且，當所處情景不同時，連續發射信號的神經元細胞群也不同，這預示著，海馬體中有很多組對時間作出反應的細胞群，不同的細胞群讓我們能記住不同情景發生的時間。

這些能夠對時間作出反應的神經元細胞被形象地稱為“時間細胞”，在海馬體中大量存在。它們的具體作用究竟是什么？

大腦的神經時鐘

時鐘是人類設計發明出的用于測量時間的裝置，我們會根據時鐘顯示的時間來協調我們的活動，比如是工作、學習還是休息。雖然大腦沒有像時鐘的分鐘或小時的標準單位，但它進化出了多種生物鐘來感知時間，比如晝夜節律生物鐘，它讓我們適應因地球自轉造成的24小時的晝夜變化，也讓我們能夠測量24小時的時長。那如果是一些更短的時間呢？比如10秒？20秒？這時，時間細胞就派上用場了。

時間細胞的行為很像計時的秒表，秒表是按下按鈕后開始計時，而時間細胞通過放電來計時。它們比秒表更靈活，秒表只能按照1秒的時間刻度走，時間細胞則能根據兩件事情之間的時間間隔（就像老鼠實驗中的兩次獎勵之間的15秒和30秒），遵循不同的時間刻度。

時間細胞能很好地記錄事件之間的空白時間，并利用連續放電來編碼時間流逝了多少，電信號就像時鐘的“滴答”聲一樣，記錄著時間過去的每一秒。可以說，時間細胞是大腦的神經時鐘。

大腦是一個重要和極其復雜的器官，也是人類智慧的根本所在，所以破解大腦秘密一直是科學家們的夢想。時間細胞的出現讓人們認識了大腦計時的運作方式，也再一次加深了對神秘大腦的理解，人類離破解大腦又邁進了一大步。這種新的運作方式可能會打造出一種新的人工智能，使人工智能也能靈活掌握時間，這樣人工智能將能更好地為人類服務。