Возможно, вы никогда об этом не задумывались, но в процессе любого разговора ваш мозг усердно отсчитывает длительность каждого слога, пауз между словами и общий ритм речевого потока, колеблющего ваши барабанные перепонки.

Минимальные единицы звукового строя языка — фонемы — составляют набор звуков каждого языка (между буквами и фонемами существует приблизительная корреляция, однако одна и та же буква может соответствовать разным фонемам, например, английская буква g в словах gun [ган] и gin [джин]). В большинстве случаев смысл фразы определяется последовательностью фонем. Однако иногда одна и та же последовательность фонем может иметь совершенно разное значение, что приводит к двусмысленности:

Подобные двусмысленности обычно можно разрешить за счет других нюансов произношения, включая длительность слогов, интонацию, ударения и паузы между словами. Например, самый простой способ произнести эти фразы однозначным образом заключается в том, чтобы подчеркнуто выдерживать паузы между словами. В последней фразе более длинная пауза между словами «нельзя» и «помиловать» означает, что казнить нельзя, а более длинная пауза между словами «казнить» и «нельзя» означает, что нужно казнить. Скорость речи тоже помогает передать смысл. Рассмотрим предложение: Мы встретили девушку с тортом. Кто был с тортом — мы или девушка? Если сжать словосочетание «девушку с тортом», получится, что с тортом была девушка, а если это словосочетание растянуть, получится, что с тортом были мы.

Неприятный результат подобной неоднозначности наблюдается достаточно часто, когда люди поют любимые песни с перевранными словами. Путаница может возникать по той причине, что исполнителям порой приходится изменять ритм фраз, чтобы попадать в ритм музыки (а иногда у исполнителей просто плохое произношение). Для такой слуховой путаницы есть даже специальное слово — мондегрин. Известный мондегрин есть в песне Джими Хендрикса «Purple Haze» («Фиолетовый туман»): строчку «excuse me while I kiss the sky» (прости меня, когда я целую небеса) многие слышат как «excuse me while I kiss this guy» (прости меня, когда я целую этого парня). Как и в разговорной речи, такие двусмысленности отчасти связаны с ритмом и могут быть разрешены путем четкого разделения слов и выдерживания пауз.

Время — важный фактор и для дискриминации отдельных фонем. Например, различие в произношении «б» и «п» отчасти достигается за счет так называемого времени начала озвончения — интервала времени между взрывным высвобождением воздуха и началом колебания голосовых связок. Положите руку на горло и произнесете слог «па». Возможно, вы почувствуете, что между открыванием рта и началом вибрации голосовых связок есть небольшой промежуток времени. А если вы сделаете то же самое, когда произносите слог «ба», заметить этот интервал вы, скорее всего, не сможете. Время начала озвончения для слога «па» обычно составляет около 30 мс, а для слога «ба» — менее 20 мс. И тот факт, что мы различаем эти слоги на слух, означает, что наша система восприятия звука имеет часовой механизм, позволяющий распознавать столь короткие временны́е интервалы.

Соблюдение ритма в диапазоне временны́х интервалов от нескольких сотен миллисекунд до нескольких секунд имеет большое значение в просодике — учении о ритме музыки и речи. Эмоции, сарказм и вопрос мы выражаем с помощью интонаций, ритма и скорости произнесения слов и фраз.

Словосочетание «хорошая идея» может быть как одобрением, так и насмешкой — в зависимости от интонации говорящего. Изменение темпа речи путем сжатия или растяжения фраз говорит об эмоциональном настрое человека.

В одном исследовании немецких ораторов попросили выслушать фразы и оценить эмоциональное состояние оратора. Когда участники слышали фразы, высказанные с горечью, они характеризовали состояние человека соответствующим образом. Но когда те же фразы произносились быстрее, состояние говорящего большинство оценивало как испуганное или нейтральное. Важно, что эмоции, передаваемые с помощью интонаций, не имеют языковых ограничений. Когда те же фразы оценивались американцами, не говорящими по-немецки, их выводы были такими же, как у немцев. Аналогичным образом, если речь модифицировали таким образом, что слова становились неразличимы, но общий «контур» речи сохранялся, слушатели по-прежнему могли оценить эмоциональное состояние говорящего. Вы ведь наверняка слышали приглушенные звуки речи, доносящиеся из-за стены: даже если вы не можете разобрать отдельных слов, вы вполне способны оценить, дружеский это разговор или враждебный.

Считается, что скорость речи играет важную роль в комедии. Я не уверен, что это утверждение тщательно проверялось в лаборатории… или на животных, однако актер Саша Барон Коэн чудесным образом продемонстрировал значение ритма речи в фильме «Борат: изучение американской культуры на благо славного народа Казахстана». В одной сцене инструктор по юмору объясняет шутку со словом «не очень». Фраза не очень смешная, но «комический потенциал» у нее есть:

Борат пытается повторить фразу:

Согласен, все это не так уж смешно. Но какую роль в этой шутке играет время? Немаловажный фактор — неожиданность. Чтобы получилось весело, фраза должна быть неожиданной, но все же осмысленной. «Костюм черный, черная фасоль!» — звучит неожиданно, но вовсе не смешно. Кроме того, неожиданность, по-видимому, должна возникать в совершенно определенный момент. Мозг в режиме реального времени постоянно делает предсказания, что должно произойти в ближайшем будущем и когда именно: возможно, чтобы было смешно, неожиданная концовка (кульминация) должна произойти в ожидаемое время. Если концовка происходит слишком рано, сюрприза не будет, поскольку мозг еще не предсказал, что же должно случиться. С другой стороны, если кульминационный момент слишком долго откладывается, слушатель мысленно включается в следующий раунд предсказаний: сюрприз заключается в том, что ничего не происходит, однако это странно, но не смешно.

Почти любой человек, пытающийся выучить иностранный язык во взрослом возрасте, жалуется, что носители языка говорят слишком быстро. Слушать иностранную речь — все равно что пытаться узнать человека на платформе, находясь в движущемся вагоне метро: мозг пытается зацепиться за любое характерное лицо, но все лица сливаются в одно пятно. Замедление речи помогает новичкам выделить из череды фонем отдельные слова.

По-видимому, у детей возникает похожая проблема при изучении родного языка, так что в разговоре с детьми взрослые автоматически замедляют речь и выделяют отдельные слова. Такую манеру речи называют «детской» речью («motherese»). «Детская» речь характеризуется повышением тона, длинными гласными и увеличенными паузами между словами. Например, когда взрослые люди разговаривают между собой, паузы между фразами обычно составляют около 700 мс, а в разговоре с детьми это значение достигает 1 секунды. Кроме того, как и взрослые, изучающие иностранный язык, дети лучше различают слова, когда они произносятся в замедленном темпе, с сильным нажимом и интонацией «детской» речи. Замедление речи помогает детям и взрослым разобрать фразы — понять, где заканчивается одно слово и начинается другое, и не соединять между собой фонемы из разных слов. В следующей главе мы увидим, что это может быть связано с тем, как мозг обрабатывает поток информации и определяет время в диапазоне от десятков до сотен миллисекунд.

Речь многогранна: в ней множество параметров, включая последовательности фонем и интервалы между фонемами, длительность гласных, паузы между словами, интонацию, ударения, скорость и общую просодию. Для восприятия многих из этих параметров мозг слушателя должен уметь отсчитывать время. Аналогичным образом, говорящий тоже должен уметь структурировать речь во временном измерении, орудуя языком, губами и голосовыми связками, выдерживая паузы и сохраняя ритм дыхания. В целом мозг слушателя и говорящего должен решать сложный набор проблем, связанных с отсчетом времени, и эта задача, скорее всего, не под силу простому часовому механизму.

Мы видим, что люди и животные выполняют целый ряд задач, связанных с отсчетом времени: оценивают интервал между прибытием звука в левое и правое ухо, предвидят переключение сигнала светофора и чувствуют вращение Земли вокруг ее оси. Эти задачи связаны с определением длительности различных интервалов времени — временно́й эквивалент определения длины предметов. Напротив, восприятие речи и музыки требует распознавания сложных ритмических структур: нужно уметь складывать воедино множество фрагментов временны́х образов.

Время для восприятия речи и музыки — то же, что пространство для распознавания визуальных образов. Распознавание лица на картине — пространственная задача: необходимая информация кроется в пространственном взаиморасположении отдельных элементов рисунка. Но это еще и иерархическая проблема: информация нижнего уровня (прямые и изогнутые линии) интегрированы в общее изображение. Круг — всего лишь круг, но пара расположенных рядом концентрических кругов становится глазами; поместите их в еще один круг, и вы получите лицо, и так далее, пока на картине не появится группа людей.

Речь и музыка — временно́й эквивалент визуальной картины: для их восприятия необходимо понимать иерархию встроенных временны́х образов. Для распознавания речи нужно уметь отслеживать признаки элементов с различной длительностью: фонем, гласных звуков, слов, фраз и предложений. В каком-то смысле определение иерархии временны́х образов более сложная задача, чем определение иерархии пространственных образов, поскольку требует использования памяти. Все элементы визуального рисунка одновременно присутствуют на бумаге, а элементы музыки и речи сменяют друг друга во времени, так что каждый элемент необходимо интерпретировать в контексте элементов, уже переместившихся в область прошлого.

Возможно, лучшим примером сложной работы мозга по обработке временны́х образов является азбука Морзе. Речь и музыка основаны на информации, закодированной в виде временно́й последовательности звуков, однако немалая доля информации содержится и в высоте звука. Высоту звука можно сравнить с пространственной информацией — с направлением линии на листе бумаги. Может возникнуть небольшая путаница, поскольку высота связана с частотой звука, а частота — одно из физических свойств звука, измеряемых в единицах в секунду (это интервал между повторяющимися колебаниями звуковых волн). Однако звуковые частоты воспринимаются слуховыми клетками (волосковыми клетками), расположенными в пространстве улитки уха. Поэтому для центральной нервной системы определение высоты звука является пространственной задачей, сродни поиску клавиш на фортепьяно. Азбука Морзе не зависит от высоты звука и не имеет какой-либо «пространственной» составляющей, поэтому в азбуке Морзе все определяет время.

Азбука Морзе состоит из двух элементов — точек и тире. Вся разница между ними заключается в длительности, так что для общения с помощью азбуки Морзе нужен единственный коммуникационный канал, по которому звук или свет может проходить в обоих направлениях в соответствии со сложным временны́м ритмом. Таким кодом легко пользоваться: сообщения можно передавать, просто закрывая глаза на более или менее долгое время. Знаменитый пример — история американского летчика Джереми Дентона, который во время войны во Вьетнаме попал в плен. Его вынудили дать пропагандистское интервью для телевидения, во время которого он рассказывал, что получает нормальное питание, одежду и медицинскую помощь, но при этом несколько раз проморгал слово «torture» (пытка).

Длительность точек и тире зависит от общей скорости передачи информации с помощью азбуки Морзе, которая измеряется в количестве слов в минуту. При скорости 10 слов в минуту длительность каждой точки и тире составляет соответственно 120 и 360 мс. Но паузы тоже несут информацию: при такой скорости передачи паузы между буквами составляют 360 мс (в три раза больше длительности точки), а паузы между словами — 840 мс (в семь раз больше длительности точки). Текст

читается как «what is time» (что такое время). Наиболее длинные пробелы соответствуют промежуткам между словами. Вся информация содержится в длительности звуков, интервалов между ними и общей структуре «фраз». Но, как и в речи, здесь тоже есть интонация, и говорят, что по небольшим вариациям длительности эксперты способны уловить «акцент» человека, передающего информацию. Для неопытного уха прослушивание азбуки Морзе напоминает прослушивание речи на незнакомом языке: нельзя понять, когда заканчивается одна буква, и начинается другая. Каждый следующий сигнал просто наслаивается на предыдущий, так что невозможно уловить разницу между последовательностями:

Специалист, конечно же, не должен считать все эти точки и думать о том, где одна буква, а где другая — как вы не должны замирать и думать, был ли произнесен звук «т», позволяющий различить слова «нейрон» и «нейтрон».

Так как же обучаются азбуке Морзе? Постепенно. Никто не начинает обучаться со скоростью 20 слов в минуту: люди начинают работать в медленном темпе, постепенно его наращивая. Например, метод Фарнсуорта заключается в том, что буквы передаются с нормальной скоростью, а вот паузы между буквами и словами удлиняются. Это позволяет выучивать буквы как единые «временны́е объекты», а удлинение пауз помогает разграничить буквы и слова, чтобы они не накладывались друг на друга. Другими словами, люди учат азбуку Морзе, начиная с «детского» языка Морзе.

Даже тот, кто никогда не учил азбуку Морзе, легко отличит точку (120 мс) от тире (360 мс). Также и в музыке несложно распознать ноты длительностью одна восьмая (250 мс) и одна четверть (500 мс) при ритме 120 ударов в минуту. Но как это делает мозг? И улучшается ли эта способность с опытом? Поиски ответов на эти вопросы значительно расширяют наше понимание того, как мозг определяет время.

С одной стороны, можно представить себе, что мозг использует некий универсальный нейронный секундомер, работающий в интервале от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Но, с другой стороны, мы уже говорили о том, что мозг должен иметь несколько разных нейронов или сетей нейронов для восприятия разных временны́х интервалов — коллекцию песочных часов разного объема. Чтобы понять, какая гипотеза правильная, нужно попытаться установить, можно ли с помощью тренировки улучшить восприятие временны́х интервалов, и если да, то как.

Изучением способности различать интервалы времени начали заниматься еще в конце XIX в., однако окончательный ответ на вопрос о роли практики был получен только в 1990-х гг. Одно из первых систематических исследований на эту тему было проведено в Калифорнийском университете в Сан-Франциско Беверли Райтом, мной и нашими коллегами Генри Манком и Майклом Мерзеничем. Мы проводили стандартный эксперимент по дискриминации временны́х интервалов, в котором просили участников сравнить пару интервалов и ответить, который из них — первый или второй — был длиннее. В этом задании каждый интервал прерывался двумя короткими звуками (по 15 мс каждый). Например, в первом случае это могли быть два звука, разделенные стандартным интервалом длительностью 100 мс, а во втором случае два звука разделялись так называемым интервалом сравнения длительностью 120 мс (рис. 5.1). Различие в длительности стандартного интервала и интервала сравнения (в данном случае 20 мс) обозначается символом ∆t (дельта-t). Если участник эксперимента все время правильно идентифицировал длинные и короткие интервалы длительностью 100 и 120 мс, следовательно, его внутренний таймер имеет разрешение менее 20 мс.

Изменяя значение ∆t, можно оценить точность таймеров мозга. Сначала мы оценили пороговые значения для восприятия стандартных интервалов 50, 100, 200 и 500 мс для всех участников. Нужно отметить, что пороговые значения были разными для всех стандартных интервалов, и это общее правило для дискриминации стимулов разной величины. Возможно, вы сумеете определить разницу в весе между двумя предметами массой 100 и 120 грамм, но не между предметами массой 1000 и 1020 грамм. Иными словами, для восприятия важно не абсолютное, а относительное различие между двумя стимулами. Пороговые значения для дискриминации интервалов времени колебались в пределах от 15 до 25 %. Например, для стандартного интервала 100 мс среднее значение порога дискриминации составляло 24 мс: в среднем люди могут воспроизводимо различить интервалы длительностью 100 и 124 мс. Получив этот первичный опыт в первый день исследований, участники эксперимента прошли десятидневную тренировку, во время которой по часу в день они тренировались различать интервалы времени в этом диапазоне величин. После тренировки показатели улучшились: среднее пороговое значение для стандартного интервала длительностью 100 мс сократилось с 24 до 10 мс. Это означает, что практика каким-то образом улучшает качество таймера, находящегося у нас в голове. Но человек — сложное существо. Возможно, практика не улучшила восприятие времени как таковое, а просто научила людей лучше концентрироваться на выполнении задания. Однако ответ на второй (более интересный) вопрос указал на несостоятельность такой интерпретации.

Рис. 5.1. Задача по дискриминации длительности интервалов времени

Учитывая, что люди смогли улучшить свои результаты в оценке интервалов времени около 100 мс, мы попробовали установить, получится ли это и с другими интервалами. Обратите внимание: если мы считаем, что мозг имеет некий нейронный секундомер, занимающийся отсчетом времени во всем интервале от 50 до 500 мс, и что этот секундомер поддается корректировке практикой, можно было ожидать улучшения показателей в оценке всех интервалов времени, даже если участники тренировались только в интервале длительностью 100 мс. Напротив, если мозг использует специализированные секундомеры для каждого интервала времени, тренировка в интервале 100 мс никаким образом не влияет на точность оценки других временны́х интервалов. Именно такая ситуация и наблюдалась на практике. Хотя десять дней тренировок значительно улучшили способность людей различать временны́е интервалы в диапазоне около 100 мс, они никак не изменили пороговые значения для интервалов 50, 200 или 500 мс. Если бы улучшение показателей для интервала 100 мс достигалось за счет концентрации внимания, мы бы наблюдали улучшение результатов и в других экспериментах, но этого не произошло. Еще более важно, что этот результат, который с тех пор неоднократно воспроизводился в других исследованиях, говорит о том, что хотя мозг определяет время в пределах долей секунды, судя по всему, не существует никакого универсального секундомера, который мог бы работать во всем этом интервале.

Поскольку точность оценки времени улучшается с практикой, кажется логичным, что люди, профессия которых требует постоянного отслеживания времени (например музыканты), в подобных экспериментах должны показывать более высокие результаты. Одно из первых исследований такого рода было проведено Ричардом Иври и его коллегами, тогда работавшими в Университете Орегона. Исследователи просили пианистов и людей, не имевших отношения к музыке, нажимать на клавишу одновременно со звуковым сигналом, раздававшимся через каждые 400 мс, а затем продолжать делать то же самое в том же ритме, но уже без сигнала. Ритм нажатий на клавишу у музыкантов был гораздо менее вариабельным (более постоянным), чем у не-музыкантов. Аналогичным образом, пианисты показали значительно более точные результаты при оценке временных интервалов порядка 400 мс. Еще в одном исследовании подтвердилось, что пороги дискриминации для стандартных интервалов 50 и 100 мс у музыкантов были значительно ниже, чем у других людей. Но даже среди музыкантов показатели разнились. Например, оказалось, что барабанщики точнее оценивают интервалы времени порядка 1 с, чем исполнители на струнных инструментах. В целом при выполнении самых разных упражнений по оценке интервалов времени музыканты показывают результаты примерно на 20 % точнее, чем не-музыканты.

В той или иной форме музыка присутствует в любой человеческой культуре. Ключевой элемент музыки — такт, необходимый для поддержания ритма. Наше естественное желание прихлопывать рукой или качать головой в такт музыки лишний раз говорит о том, что мозг человека умеет предсказывать. Вы притоптываете ногой не в ответ на каждый удар клавиш или ударных: ваш мозг заглядывает на несколько сотен миллисекунд вперед, предсказывает следующий такт и синхронизирует с ним ваши действия. Синхронизация наших движений с музыкальным ритмом настолько естественна, что нам проще поддерживать ритм музыки, чем его нарушить. Однако большинство животных не обладают чувством ритма.

Дело не в том, что животные не разделяют нашей любви к музыке, скорее, им не хватает чувствительных и двигательных способностей, необходимых для синхронизации движений с периодическим стимулом. Любители YouTube тут же мне возразят, что интернет переполнен видео с домашними любимцами, радостно подпрыгивающими в такт какой-нибудь поп-музыке. Однако многие из этих животных демонстрируют так называемый «эффект умного Ганса»: они научились распознавать сигналы своих хозяев, как знаменитая лошадь Ганс, решавшая арифметические задачи, реагируя на непроизвольные подсказки своего хозяина. Но некоторые видео, особенно с участием птиц, могут быть вполне реальными.

Ученые вовсе не отказываются протестировать в экспериментах героев видео. Психолог Анируд Патель и его коллеги поработали со звездой YouTube белым попугаем Снежком. В одном из видео Снежок выполняет движения телом и головой, которые нельзя назвать иначе, как танцем, под песню «Everybody» группы Backstreet Boys. Чтобы понять, действительно ли Снежок следует ритму или воспроизводит серию заученных движений, исследователи замедляли и ускоряли темп музыки и следили за движениями птицы. Если при каждом такте голова находится примерно в одном и том же положении, можно сказать, что движения синхронизированы с музыкой. Совершенно определенно, при разном темпе музыки движения Снежка были синхронизированы с музыкой, и это означает, что он предвидел следующий такт, хотя, кажется, отдавал предпочтение более быстрому ритму.

Но птицы — это исключение. Обезьяны способны научиться воспроизводить размеренные движения, но даже простая задача по синхронизации движений и звука им не под силу. В одном исследовании было показано, что даже после года тренировки макаки резус не могли нажимать на кнопку одновременно с периодически повторяющимся звуком, а делали это с небольшой задержкой.

Почему такая примитивная, казалось бы, задача по поддержанию ритма столь сложна для наших братьев приматов, но не для птиц? Возможный ответ на этот вопрос дает гипотеза голосового обучения. Большинство млекопитающих, включая обезьян, собак и кошек, общаются между собой с помощью звуков — крика, рычания, лая или мяуканья, однако эта врожденная способность реализуется с привлечением весьма ограниченного набора «слов». Например, собаке не нужно знать, что рычание не означает «здравствуйте, пожалуйста, подойдите поближе». Лишь немногие животные обучаются производить специфические звуки в результате жизненного опыта и социальной активности. Кроме человека и некоторых видов птиц, выражаться голосом могут только киты и слоны. Самый известный пример — попугаи, которые способны научиться воспроизводить звуки, издаваемые другими птицами, или имитировать несколько слов из лексикона пиратов.

Для голосового обучения мозг должен слышать звуки и понимать, как их воспроизвести с помощью голосовых связок и мышц голосового аппарата. Совершенно очевидно, что для решения этой задачи необходима хорошая координация между слуховыми и двигательными центрами мозга. Такая же координация нужна для синхронизации движений с периодическими звуковыми стимулами. Возможно, та же сеть нейронов, которая помогает животным обучаться голосовому общению, объясняет их способность следовать музыкальному ритму.

Речь и музыка — активные занятия, заставляющие мозг постоянно предсказывать, что сейчас произойдет. В частности, для восприятия музыки нужно предчувствовать, какая нота и в какой момент прозвучит: оправдается это ожидание или нет, зависит от намерения композитора. Таким образом, не удивительно, что для восприятия музыки необходимо как минимум иметь возможность следовать ритму, а синхронные движения в ответ на периодический стимул как раз и являются одним из основных критериев оценки предсказательной способности.

Птицы не только танцуют, некоторые умеют еще и петь. По крайней мере, нам кажется, что они поют: на самом деле, они общаются друг с другом. В обучении человека языку и обучении птиц пению можно найти несколько параллелей. По этой причине певчие птицы стали важной моделью в исследовании таких вопросов, как обучение, общение, речь и отсчет времени.

Ухаживая за самкой, самцы зебровой амадины исполняют сложные песни. Молодые самцы обучаются этому у взрослых самцов, но могут также обучаться путем прослушивания аудиозаписей их песен. Как и в обучении человека, существует критический отрезок времени, во время которого птицы учатся владеть голосом. Если этот период на ранней стадии развития упущен, певчая птица никогда не научится нормально воспроизводить взрослую песню: самец, который никогда не слышал пения другого самца, сможет петь, но качество его пения вряд ли привлечет какую-нибудь самку.

В пении птиц, как в речи и музыке, существует временна́я иерархия элементов. Ноты складываются в слоги, а последовательность слогов формирует фразы. Один слог может длиться до нескольких сотен миллисекунд, длительность пауз между слогами обычно не превышает 100 мс, а песня целиком может звучать несколько секунд.

Устройство мозга самца и самки зебровой амадины заметно различается: у самцов есть несколько зон, необходимых для пения и обучения пению (самки амадины не поют). Один такой центр носит название HVC (не спрашивайте, что это значит, просто обозначение). Этот центр, по крайней мере отчасти, отвечает за ритм пения амадины. Нейроны в центре HVC возбуждаются в определенные моменты в процессе пения: например, один нейрон может возбуждаться на 100-й мс фразы, а другой — на 500-й. Можно себе представить цепь нейронов, в которой нейрон A активирует нейрон B, который затем активирует нейрон C и т. д. (рис. 5.2). В результате после возбуждения нейрона A происходит цепная реакция возбуждения нейронов A→B→C→D→E (на самом деле, каждое звено в этой цепи соответствует не одному нейрону, а целой группе нейронов).

Представьте себе, что вы используете в качестве таймера стопку падающих костяшек домино: если каждая костяшка падает через 100 мс после предыдущей, а затем все они возвращаются в исходное положение, можно подсчитать, что пятая костяшка падает примерно через 500 мс от начала отсчета, а десятая — примерно через одну секунду. Аналогичным образом, в соответствии с одной теорией (мы подробнее поговорим об этом в следующей главе), в некоторых случаях мозг узнает время по тому, какой именно нейрон в цепи возбужден в данный момент. По-видимому, нейроны HVC в мозге птиц используют этот механизм для поддержания ритма пения.

Однако одна из постоянных проблем нейробиологии заключается в разграничении корреляции и причинности: нам кажется, что нейроны HVC отвечают за пение, но мы не уверены, что именно в этом состоит их функция. Пытаясь решить проблему корреляции и причинности, нейробиологи Майкл Лонг и Майкл Фи, работавшие в Массачусетском Технологическом институте, предположили, что если нейроны HVC определяют ритм пения, замедление активности этих нейронов должно приводить к замедлению ритма песни.

Замедление активности группы нейронов — дело тонкое, но выполнимое за счет изменений локальной температуры конкретного участка мозга. Охлаждение биологической ткани обычно замедляет скорость метаболизма в этом участке. Нейроны не являются исключением. Например, у холоднокровных животных скорость прохождения потенциала действия по аксону и даже длительность самого потенциала действия зависят от внешней температуры (это одна из причин, почему теплокровные животные обычно имеют более быстрые рефлексы, чем холоднокровные).

Чтобы понизить температуру в области HVC, Лонг и Фи встраивали в мозг птиц крошечный охлаждающий элемент. Это позволяло понижать температуру этого центра во время пения на пять или шесть градусов по сравнению с температурой остального тела (чтобы заставить самцов петь, в соседние клетки помещали самок). Результат был однозначным. Охлаждение области HVC приводило к замедлению песенного ритма. Важно, что это замедление ритма одинаково сказывалось на всех элементах песни: отдельные ноты, слоги, паузы и длительность всей фразы целиком растягивались одинаковым образом, вплоть до 40 %. В качестве контрольного эксперимента исследователи охлаждали двигательный центр, который тоже важен для пения (эта зона получает сигнал от HVC). Охлаждение этого центра не влияло заметным образом на ритм пения, и это означает, что эффект замедления ритма вызван замедлением активности внутри нейронов HVC, а двигательный центр находится в данном случае в подчиненном положении.

Рис. 5.2. Цепь синхронного возбуждения нейронов. В модели цепи синхронного возбуждения отдельные нейроны (или группы нейронов) связаны между собой упреждающим образом. Возбуждение нейронов (потенциал действия, характеризующийся пиками напряжения) распространяется по цепи, как стопка падающих костяшек домино. Время от начала возбуждения первого нейрона можно определить по номеру нейрона, возбужденного в текущий момент времени.

В отношении ритма птичьего пения остается еще множество неразрешенных вопросов, но описанные выше эксперименты доказывают, что одна-единственная область мозга может влиять на временны́е показатели сложных поведенческих реакций или даже ими управлять.

Электрофизиологические исследования животных и человека показывают, что в мозге нет какой-либо универсальной сети нейронов, управляющей определением времени в диапазоне от сотен миллисекунд до нескольких секунд. Скорее, в мозге трудно найти такую область, которая тем или иным образом не участвовала бы в отсчете времени. Очевидно, что любая версия стратегии универсальных руководящих часов не выдерживает критики, но это не означает, что в мозге нет участков, ответственных за какие-то специфические формы отсчета времени. У певчих птиц за ритм пения, по-видимому, отвечает центр HVC. Как мы увидим в следующей главе, у млекопитающих важную роль в некоторых вариантах мониторинга времени играет мозжечок.

В дискриминации временны́х интервалов участвуют определенные зоны мозга, в том числе базальные ядра (скопления серого вещества, находящиеся под корой мозга) и дополнительная моторная область (область, прилегающая к моторной коре, участвующей в осуществлении двигательной функции). Но пока мы не можем сказать, могут ли эти области мозга определять время или только передают информацию, т. е. являются ли они эквивалентом кристалла кварца или цифрового дисплея часов. Кроме того, исследования такого рода не позволяют понять, каким образом сети нейронов мозга определяют время.

Как следует из теоретических и экспериментальных работ, выполненных в нашей лаборатории и в ряде других мест, хотя специфические сети нейронов мозга отвечают за отсчет времени в определенных процессах, большинство сетей нейронов по своей природе способны определять время. В зависимости от характера задачи (например, хронометраж сенсорной или двигательной функции, определение интервалов времени или временны́х образов, а также отсчет времени в диапазоне долей секунд или секунд) главную роль могут играть разные сети нейронов. Так, нейроны слухового аппарата могут быть отчасти ответственны за дискриминацию четвертой и восьмой доли музыкальной ноты, нейроны зрительного аппарата — за дискриминацию изображения точек и тире азбуки Морзе, нейроны двигательного аппарата — за подачу сигнала SOS с помощью азбуки Морзе, а базальные ядра — за предвидение времени переключения сигнала светофора.

Идея о том, что расчетом времени в той или иной степени занимается большинство нейронных сетей, подвела нас к вопросу: не может ли изолированная часть коры мозга, содержащаяся в лабораторных условиях, определять время?

Ученые умеют поддерживать в живом виде in vitro («в чашке») не только клетки крови, сердца или печени, но также и клетки коры головного мозга, например, крыс или мышей. Эти фрагменты коры, содержащие десятки тысяч нейронов, можно поддерживать в живом состоянии на протяжении недель или месяцев. Обычно клетки помещают в термостат, где они не имеют никакого контакта с внешним миром.

Хоуп Джонсон и Эну Гоэль из нашей лаборатории попытались выяснить, что произойдет, если эти клетки подвергнуть воздействию какого-то временного сигнала. Изменится ли как-нибудь их состояние? Смогут ли нейроны «выучить» специфический интервал? В одной серии экспериментов срезы слуховой коры мозга крыс подвергали воздействию электрических стимулов с интервалами 100, 250 и 500 мс на протяжении нескольких часов. В норме мозг получает сигналы от органов чувств, но у нейронов в чашке нет возможности получать сигналы из внешнего мира. Чтобы в условиях in vitro обеспечить нервные клетки чувственной информацией, использовались металлические электроды, которые провоцировали краткосрочный электрический шок и вызывали возбуждение небольшого количества нейронов. Через 100, 250 или 500 мс Эну Гоэль посылала следующий сигнал, в этот раз в виде импульса света, который тоже вызывал возбуждение части нейронов.

В обычной ситуации, естественно, нейроны не реагируют на свет (за исключением фоторецепторных клеток глаза), поскольку у них нет для этого необходимых пигментов. Однако с помощью так называемых оптогенетических методов можно заставить нейроны в чашке возбуждаться в ответ на световой сигнал (в клетку встраивают ген, кодирующий светочувствительный белок).

В результате эти нейроны коры имели очень ограниченный контакт с внешним миром, и все, что они испытывали, происходило через одинаковые интервалы времени 100, 250 или 500 мс. Вопрос заключался в том, повлияет ли каким-то образом это воздействие на поведение нервных клеток. Срезы нервной ткани часто отвечают на краткий электрический импульс взрывом активности, длящейся до нескольких сотен миллисекунд. Это происходит по той причине, что нейроны, напрямую активированные током, активируют другие нейроны, те, в свою очередь, активируют следующие и т. д., пока волна активности не утихнет.

Эта активность — характеристика внутренней динамики сети. В зависимости от интервала времени, на котором «тренировали» ткань, эта внутренняя динамика имела разные характеристики. При тренировке на коротком интервале активность длилась недолго, при тренировке с интервалами 250 или 500 мс средняя продолжительность активности постепенно удлинялась. Таким образом, мало того, что в результате тренировки изменялась внутренняя динамика ткани, эта динамика адаптировалась к временному интервалу, на котором происходила тренировка.

Исследования, проведенные в лаборатории Маршалла Шулера в Университете Джонса Хопкинса, показали, что клетки зрительной коры мозга в условиях in vitro тоже «обучались» распознавать интервалы времени. Возможная интерпретация этих результатов заключается в том, что даже в чашке нейронные сети коры способны в каком-то смысле обучаться распознавать время.

Эти исследования in vitro подтверждают идею о том, что отсчет времени в диапазоне сотен миллисекунд осуществляется не какими-то специализированными сетями нейронов, а является природным свойством сетей нейронов в целом.

Людей часто интересует, существуют ли какие-то неврологические нарушения, связанные с потерей способности определять время. Ответ на этот вопрос зависит от того, о каких интервалах времени идет речь. Мы уже упоминали случай Клайва Уэринга, который потерял способность отсчитывать время в пределах минут и поэтому все время считал, что только что проснулся. Это понятно. Даже если у нас на стене висят часы, мы не сможем с их помощью определить, что прошел час, если не помним, когда он начался. Но поскольку Уэринг сохранил способность исполнять музыку, понимать речь и говорить, значит механизм отсчета времени в диапазоне сотен миллисекунд не пострадал. Кроме того, как и знаменитый пациент H. M., страдавший амнезией, Уэринг может точно воспроизводить интервалы в несколько секунд. У Уэринга и H. M. нарушена способность создавать новые долгосрочные воспоминания (точнее, воспоминания о фактах или эпизодах собственной жизни).

Такие нарушения позволяют понять, как мозг накапливает воспоминания. Поэтому вполне естественно задать вопрос, существуют ли специфические нарушения, затрагивающие способность человека определять время в диапазоне нескольких секунд. Ответ на этот вопрос отрицательный. Мы не знаем неврологических нарушений, при которых человек одновременно теряет способность оценивать музыкальный ритм, узнавать интервалы времени в пределах нескольких секунд и учиться моргать в такт музыке. И таких нарушений быть не должно, поскольку разные временные задачи решаются разными сетями нейронов головного мозга.

Предметы — это физические тела, которые можно увидеть или потрогать, но сам мозг не может ничего увидеть или потрогать напрямую. Все знания о внешнем мире он получает в виде профилей потенциалов действия, создаваемых в одном из пяти органов чувств. С помощью этих профилей мозг обучается идентифицировать реальные физические сущности, такие как лазерный меч или плод папайи. Подобные предметы в каком-то смысле существуют вне времени, их можно идентифицировать по «моментальному снимку». Однако многие элементы внешнего мира имеют временну́ю составляющую: движение руки, рябь на воде, буква … («s» в азбуке Морзе), запоминающаяся мелодия, взмах крыльев летучей мыши и сами слова «взмах» и «летучая мышь». Все это временны́е «сущности». Чтобы обнаружить и воспроизвести такие предметы или сущности, мозг должен уметь определять время и хронологию событий.

Определение начала озвончения фонемы, длительности музыкальной ноты или разницы между точкой и тире в азбуке Морзе требуют распознавания очень коротких временны́х интервалов — все это деревья в лесу. Но речь, музыка и сообщения, переданные с помощью азбуки Морзе, — это уже гораздо более пространный пейзаж, разглядеть который можно только во временном диапазоне от десятков миллисекунд до нескольких секунд. Вне этого временного окна речь и музыка не существуют. Ускорьте или замедлите музыку слишком сильно, и она перестанет быть музыкой. Начните говорить слишком быстро, и фонемы сольются друг с другом, слишком медленно — и они изменятся до неузнаваемости, и слушатели станут забывать предыдущие фонемы и предыдущие слова предложения. Время в диапазоне долей секунды — это «зона обитаемости» для обработки временны́х образов, именно здесь мы можем различить одновременно и лес, и деревья.

Без возможности различать сложные временны́е образы мы не владели бы двумя характерными для человека способностями: говорить (слушать) и создавать музыку. Но как мозг решает сложные проблемы отсчета времени, связанные с восприятием речи и музыки? Как мозг отмеряет длительность слогов и определяет ритм песни?