Мэтелл и Мек полагают, что базальные ганглии также служат основными компонентами внутреннего хронометра, с помощью которого мозг определяет длительность временных промежутков.
Все нейроны коры головного мозга чем-то похожи на антенны. «Каждый нейрон настроен на определенную волну, – сообщил Мэтелл. – Нервная клетка выступает детектором состояния окружающего мира, который улавливает некоторое изолированное состояние». Кора, в свою очередь, посылает тысячи нейронов в базальные ганглии, образованные сотнями тысяч шипиковых стриарных нейронов, каждый из которых отслеживает состояние от десяти до тридцати тысяч кортикальных нейронов, причем часто одни и те же клетки контролируются несколькими стриарными нейронами. Таким образом, каждый стриарный нейрон специализируется на идентификации определенных контуров возбуждения, возникающих в восходящем направлении. При активизации соответствующего контура стриарный нейрон приходит в возбуждение, побуждая нервные клетки близкорасположенной компактной части черного вещества к высвобождению дофамина, выдавая небольшую порцию нейрохимического вознаграждения, отмечающей данный контур как достойный запоминания, на который непременно следует обратить внимание в будущем. Сигнал поступает в таламус, где сосредоточены двигательные нейроны, а затем возвращается в кору. «Полосатые тела базальных ганглиев реагируют на поступающие вводные данные, – утверждает Мэтелл. – Базальные ганглии служат центрами формирования привычек, а у крыс они заодно задействованы в таймировании, так как определение длительности временных промежутков представляет собой выученную поведенческую реакцию, доведенную до автоматизма».
На данный момент установлены достоверные механизмы формирования навыков таймирования. По словам Мэтелла, главенствующая теория относит определение длительности временных интервалов на счет формирования четких контуров возбуждения группами кортикальных нейронов, возбужденных внешними раздражителями. Некоторые нейроны возбуждаются с частотой от пяти до восьми раз в секунду (5–8 Герц), генерируя колебания особого рода, которые называют тета-ритмами. У других нейронов частота возбуждения составляет от 8 до 12 Герц (альфа-ритмы), а у третьих – от 20 до 80 Герц (гамма-ритмы). Колебания, в свою очередь, регистрируются шипиковыми нейронами дорсального полосатого тела. Само собой, замечает Мэтелл, частота возбуждения нейронов лежит за пределами временной шкалы, с которой мы привыкли иметь дело в нашей повседневной жизни. «Деятельность мозга протекает в масштабах миллисекунд, но при этом мы можем определять длительность интервалов продолжительностью в несколько часов. Как долго вы здесь находитесь – полтора часа? Мы можем установить это, не сверяясь с часами. Тогда каким образом мозг осуществляет переход от операций в масштабах миллисекунд к операциям в масштабах минут и часов?»
Для разрешения парадокса Мэтелл и Мек обратились к теории другого нейробиолога, Криса Миалла из Бирмингемского университета. Пока Мэтелл продолжал объяснения, мы переместились в его кабинет. Сквозь просторные окна струились яркие лучи последних дней весны, а за крышами зданий кампуса открывались панорамные виды. На одной из стен располагалась высокая книжная полка; среди корешков мелькали громкие заглавия, такие как «Психофармакология» и «Нерешительный разум», а на соседнем подоконнике я заметил нераспакованную новомодную игрушку под названием «Невероятный растущий мозг», в которую требовалось добавить воды. На другой стене висела лекционная доска; Мэтелл взял маркер и начал выводить какие-то значки.
Вскоре на белом поле появились два ряда решеток, изображающих частоту возбуждения нейронов. А теперь предположим, что начал действовать какой-то раздражитель, например звуковой тон. Нейроны сразу же приходят в возбужденное состояние, сохраняющееся в течение звучания тона, но при этом не все нервные клетки возбуждаются с одинаковой частотой. Вероятно, одна из клеток достигает пика возбуждения каждые десять миллисекунд, тогда как у остальных нейронов пики наблюдаются чаще – каждые шесть миллисекунд. Теперь представим себе два нейрона, соединенных с одним и тем же стриарным нейроном, регистрирующим одновременное возбуждение обеих клеток спустя каждые тридцать миллисекунд.
В результате, как утверждает Мэтелл, стриарный нейрон приобретает способность к регистрации интервала длительностью тридцать миллисекунд, что на порядок дольше, чем при возбуждении одного кортикального нейрона. Поскольку к каждому стриарному нейрону подключено тридцать тысяч кортикальных нейронов, а не только два, то, скорей всего, он распознает одновременное возбуждение десятков и тысяч нейронов. При таком раскладе шипиковые нейроны базальных ганглиев могут настраиваться на широкий диапазон интервалов реального времени менее чем за миллисекунду.
Не исключено, что нейроны способны воспринять практически любой промежуток времени в любой момент – просто мозг не утруждает себя запоминанием каждого отдельно взятого мгновения. Запоминание длительности определенного промежутка времени – большей частью заслуга подкрепления: крыса получает гранулу корма, а человека поощряют конфетой, выражают одобрение словами или предлагают какие-то иные формы вознаграждения. (Стоит задержаться на светофоре на девяносто секунд в ожидании зеленого света, и вы почувствуете удовлетворение, когда можно будет тронуться в путь.) Вознаграждение провоцирует мгновенный вброс дофамина из компактной части черного вещества в базальные ганглии, в результате чего не приходится сомневаться, что контур возбуждения будет удостоен должного внимания, отправлен в таламус и зафиксирован в памяти для дальнейших справок.
В строго математическом смысле при рассмотрении миллиардов нейронов и бесчисленных миллиардов сигналов, которыми они периодически обмениваются между собой, изобретение того или иного способа таймирования представляется практически неизбежным. Тем не менее только непостижимое чудо могло бы превратить автоматические взаимодействия между живыми клетками в механизмы обработки информации и некоторые поведенческие реакции, включая способность к определению длительности временных промежутков, которые сейчас воспринимаются как часть глубоко личной жизни бессознательного. С большей вероятностью следовало бы ожидать появления пьес Шекспира в мире обезьян, овладевших печатью.
Когда я беседовал с Меком, ученый подчеркнул, что он, Мэтелл и другие исследователи, работающие в том же направлении, не прекращают попыток пролить свет на природу таймирования. В их представлении сущность таймирования составляет совсем не то, что принято понимать под этим термином, а временная селекция – процесс осознания большей значимости одного промежутка времени по сравнению с другими временными промежутками. «Мозг постоянно занят таймированием всего, что происходит вокруг, даже если вы не отдаете себе в этом отчета, – сказал Мек. – Десять секунд для вас ничего не значат до тех пор, пока вам не скажут, что они важны. Постепенно мозг учится отличать, что полезно, что вредно и что значимо, а для этого вам необходима память. Я не могу назвать ни одной задачи на таймирование, которая бы не предполагала временной селекции».
Мэтелл и Мек называют свою модель таймирования временных интервалов теорией тактовой частоты полосатого тела, излагая ее основные положения с помощью музыкальной терминологии. Базальные ганглии выступают в роли дирижера, шипиковые нейроны постоянно отслеживают состояние коры головного мозга на предмет выявления групп нейронов, возбуждающихся одновременно. В одной статье Мек и Мэтелл назвали процесс таймирования «композицией корковой активности». (Похоже, ученые, специализирующиеся на изучении времени, питают слабость к музыкальным аналогиям.)«Таймирование напоминает оркестр, который сообщает мне мои временные координаты в рамках конкретной задачи таймирования посредством синхронной игры», – пояснил Мэтелл. Я попросил уточнить, что он имел в виду. В ответ ученый напомнил мне о решающем значении базальных ганглиев в формировании привычек – поведения, реализуемого в определенных условиях без участия сознания. По словам Мэтелла, вождение автомобиля большей частью осуществляется автоматически, в силу привычки. Увидев выходной сигнал светофора, вы понимаете, что следует включить указатель поворота, затем перестраиваетесь в правую полосу, а потом определенным образом располагаете руки на рулевом колесе, чтобы выполнить поворот.
«Кора головного мозга идентифицирует выходной сигнал, полосатое тело приходит в возбуждение и обнаруживает контур возбуждения в коре, сформированный в соответствии с практической задачей, как бы сообщая: ну-ка, поскорее измените схему поведения так, чтобы я мог включить указатель поворота, – разъяснил Мэтелл. – Движение руки регистрируется корой, и запускается очередное изменение схемы поведения – перестройка в правую полосу. Вид включенного указателя поворота инициирует еще одно изменение поведения – снижение скорости. Таким образом, ваши действия следуют по цепочке поведенческих реакций: осознав себя в определенных условиях, я действую по соответствующей схеме и в результате обнаруживаю себя в новых обстоятельствах, и все повторяется сначала».
Память о длительности временных промежутков проистекает из тех же кольцевых сетей передачи данных и, по крайней мере на начальном этапе, тесно связана с выполнением практических задач. Крыса, ожидающая выдачи кормовой гранулы, своим поведением напоминает человека, слушающего симфонию. «Крыса едва ли осознает свое положение во времени; ей достаточно знать, когда прибудет корм, – сообщил Мэтелл. – Я тоже не ощущаю течения времени, зато хорошо помню, какие действия при этом совершаю». Затем ученый добавил: «Допустим, вы сто раз прослушивали одну и ту же симфонию, а теперь становитесь к плите и принимаетесь стряпать, ставите на огонь кастрюлю с водой, а потом выходите из кухни и включаете свою симфонию, зная, что вода закипит на третьем такте второй части. Опознание конкретного такта второй части происходит за счет восприятия определенного сочетания слуха. Вряд ли вы опознаете нужное место в симфонии только потому, что музыка начинает звучать громче, чем в начале симфонии. При этом не происходит никаких систематических количественных изменений, не наблюдается ни роста, ни усложнения тех или иных структур. Таким образом, таймирование осуществляется иначе, чем предполагает модель тактового генератора и связанное с ней чувство накопления или утраты тактов. Образ пищи всплывает в сознании при переходе мозга в состояние под номером десять, а не в состояние номер тридцать, и с большой долей вероятности я приступаю к реализации соответствующей схемы поведения».