大腦是如何計時的？

時間對彈奏樂器、揮舞球棒以及其他的許多活動都非常重要。神經學家曾猜想大腦計時的幾個模式，其中最突出的一個模式就是有一個體內時鐘或起搏器，大腦可以為整個腦部活動計時。

然而，麻省理工大學研究者最近發現交替計時系統負責產生特定的行為。根據要求的時間間隙，他們會減少或增加相應的步驟以在特定時間產生特定行為。

Mehrdad Jazayeri是Robert A. Swanson職業發展生命科學教授，也是麻省理工大學麥戈文腦科學硏究所一名研究者，他說：「我們發現這是一個非常主動的過程。大腦並不會被動等待某一個時間點的到來。」

彈性控制

最早的時間控制模型，也即時鐘蓄能器模型，這一模型表明大腦有生物鐘或起搏器，可以為腦部其他區域計時。之後該模型的一個變體表明大腦在衡量時間時並非使用內部的起搏器，而是檢測不同腦波頻率的同步性。

Jazayeri說，儘管這些計時模型聽起來很神奇，但他們並未和大腦的運作保持一致。

至今尚未有人發現大腦生物鐘的有關證據，Jazayeri和同事也在猜想：控制行為的某些大腦區域是否需要精確的計時。他說：「人們可能會問為什麼大腦在不必要的時候也會花時間和能量產生計時機制。當你的行為需要計時時，有利於該行為的某些大腦區域也會產生計時功能。」

為了探索這種可能性，研究者記錄了動物三個大腦區域在不同時間間隔（850-1500毫秒）執行任務時的神經活動。

研究者發現在這些時間間隔，大腦表現出了複雜的神經活動模式。有的神經激活得很快，而有的則相對慢些，而發生震動神經的速度也不一樣。然而，研究者最關鍵的發現是，不管神經有什麼樣的反應，它們都會根據時間間隔來調整反應速率。

不管在哪個時間點，神經的集合都是一種「神經狀態」，當個人改變活動方式時，這種狀態也會隨時間發生變化。為了執行某一行為，整個系統必須達到一種規定的結束狀態。研究者還發現不管時間間隔是多少，神經在開始和結束時都會保持同樣的軌跡。唯一的改變就是神經通過軌道的速率。

當時間間隔變長時，軌跡就會「拉長」，這就意味著神經要花更多時間來完成最後的狀態。當間隔時間變短時，軌跡就會被壓縮。

Jazayeri說：「我們發現時間間隔並不會導致軌跡的改變，它僅僅改變了從開始到結束狀態的速度。」

加州大學洛杉磯分校行為神經教授Dean Buonomano說，該研究「為時間是一種分配過程提供了很好的論據，也就是說，沒有單一的主時鐘。」

Buonomano還說，這一研究成果也驗證了大腦並不會利用時鐘機制來計時，而是依賴神經迴路固有的動態，隨著動態速度的變化，動物的運動速度也會發生相應的變化。

神經網路

研究者將重點放在腦迴路上，腦迴路可以連接三個區域：內側額葉皮質、尾狀核、丘腦。他們發現內側額葉皮質獨特的的神經模式會演變成許多認知過程，尾狀核神經模式會發展成運動的控制、抑制以及其他的學習類型。然而，在交替進行運動和感知的丘腦中，他們發現了不同的模式：並非改變軌跡的速度，許多神經僅僅根據時間間隔來增加或減少放電的頻率。

Jazayeri說，丘腦可能負責指揮皮質調節活動產生特定的時間間隔，而該研究結果與此猜想一致。

研究者還創立了一個計算機模型來幫助他們進一步解釋這一現象。他們一開始創立的模型是由上百個神經組成，隨機組合，隨後培養這些神經去處理時間間隔的任務，但對具體的過程並不給予指導。

他們發現這些神經網路使用的策略和動物大腦數據顯示的一樣。一個關鍵的發現是這一策略只有在神經發生非線性活動時才會發生，也就是說，它們的輸出並不會隨著輸入的增加而增加。當他們的輸入增加時，它們輸出的速率反而減慢。Jazayeri希望繼續探索大腦是如何在不同的時間間隔產生神經模式的，並預測如何影響產生不同時間間隔的能力。

參考：

http://news.mit.edu/2017/networks-neurons-stretch-compress-control-timing-1204

Source: Anne Trafton, MIT News Office.

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