Исследователи из Токийского института науки (Institute of Science Tokyo) выяснили, что мозг не опирается на «централизованные часы» для восприятия времени. Напротив, различные отделы коры способны динамически переключаться между синхронной работой и автономным отсчетом временных интервалов.
Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature Communications, проливают свет на то, как биологические системы поддерживают вычислительную стабильность, сохраняя при этом высокую гибкость в меняющихся условиях среды.
Экспериментальная модель и методы
В ходе исследования ученые поставили задачу перед группой мышей: животных обучили ожидать награду через чередующиеся интервалы в 6 и 12 секунд. Отсутствие пауз между попытками вынуждало грызунов непрерывно обновлять «внутреннее чувство времени» без перезапуска ментального таймера. К завершению обучения мыши успешно освоили прогнозирование обоих временных отрезков.
Для мониторинга активности тысяч нейронов применялась двухфотонная кальциевая визуализация. Наблюдения проводились одновременно во вторичной моторной коре и задней теменной коре — областях, ответственных за планирование и рабочую память. Выяснилось, что нейроны в обеих зонах активируются строго последовательно, формируя алгоритм, кодирующий информацию о прошедшем времени.
Двойной механизм сбоев и синхронизации
Ключевым открытием стал анализ ошибок при отсчете времени. Команда выявила два типа сбоев в нейронной активности:
- Синхронные ошибки: оба региона мозга ошибались одновременно, демонстрируя высокую когерентность.
- Независимые ошибки: один отдел продолжал отсчет точно, тогда как другой сбивался, что указывало на временную автономность областей.
Интересно, что независимые ошибки случались в два раза чаще согласованных, причем эта пропорция оказалась стабильной для всех подопытных особей.
Математический компромисс и ИИ
Чтобы раскрыть механизм этого природного баланса, авторы построили компьютерную модель, состоящую из двух рекуррентных нейронных сетей с общим фоновым шумом. Выяснилось, что за синхронизацию отвечают редкие связи между областями, в то время как глобальный шум подталкивает их к автономии. Система находит математический компромисс, который позволяет отделам «общаться», не объединяясь в жесткий, негибкий часовой механизм.
Понимание архитектуры этого распределенного механизма открывает новые перспективы в инженерии. Принципы баланса между автономностью и синхронизацией могут быть использованы при создании адаптивных систем управления роботами или продвинутых моделей искусственного интеллекта, способных гибко распределять вычислительные потоки.
