时间为何时快时慢？人脑分三个阶段处理流逝

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最近一项绘制人脑图谱的研究揭示，我们对时间的感知并不是一下子产生的，而是通过一系列不同的物理处理阶段逐步展开的。当视觉信息从大脑后部向前部传递时，不同的神经元群组负责处理时间感知过程中的特定部分，最终形成我们对于某个事件持续多长时间的主观体验。这些研究结果发表在《公共科学图书馆·生物学》杂志上。

几十年来，研究人员已经绘制出了一个由大脑区域组成的广泛网络，这些区域在人们估计过去了多少时间时会被激活。涉及动物和人类的研究都表明，某些神经元群组会对特定的时间长度做出反应。

这些特化细胞通常以拓扑图谱的形式排列在大脑中。在这些图谱中，偏好相似时间长度的神经元在大脑折叠的外层（即大脑皮层）上物理位置上彼此靠近。

尽管知道这些时间处理区域的位置，研究人员仍然难以理解它们究竟是如何协同工作的。目前尚不清楚像闪光持续时间这样的物理特征是如何转化为对时间流逝的抽象感觉的。

为了解开这个谜题，意大利国际高等研究院的神经科学家瓦莱里娅·琴塔尼诺及其同事吉安弗兰科·福尔图纳托和多梅尼卡·布埃蒂进行了一项影像学研究。他们想要追踪时间追踪神经元的特性如何随着信号在大脑中的传递而发生变化。

研究人员招募了十三名健康志愿者来执行一项视觉分类任务。首先，参与者被训练记住一个特定的参考时长——半秒钟，他们将以此作为心理基准。

在主要实验期间，志愿者们观看一系列模糊、闪烁的圆圈出现在屏幕上。每个圆圈在屏幕上停留的时间是随机的，在十分之二秒到十分之八秒之间。

在每个圆消失后，参与者按下按钮，来判断这个形状出现的时间，是比他们心里记住的那个标准时间更长还是更短。当志愿者执行此任务时，研究人员使用超高场功能磁共振成像扫描仪记录了他们的大脑活动。

功能磁共振成像是一种通过检测血流变化来测量大脑活动的技术。当大脑某个区域活动更活跃时，它需要更多氧气，扫描仪会追踪流向该区域的富氧血液。

这项研究用的扫描仪，磁场强度是七特斯拉。这比标准医院扫描仪强得多，让团队能拍到大脑表面非常清晰的图像。

借助这些详细的图像，森塔尼诺和她的团队模拟了单个神经元群体的行为。他们找的是一种叫“单峰调谐”的现象，也就是一组脑细胞只对某一种特定刺激反应最猛，对别的刺激反应就比较弱。

研究人员发现，神经元对时间的调谐方式随其在大脑中的位置而变化。他们找出了三个不同的处理阶段，这些阶段构成了一个对时间感知的层级体系。

第一阶段发生在枕叶视觉区域，在脑袋后面，是大脑最早处理视觉信息的地方。在这个区域，神经元像简单的计时器一样，接收从眼睛传来的感觉信息。

在这些视觉区域，脑细胞对最长的时长特别敏感。形状在屏幕上待得越久，这些脑细胞的活动就越稳定地增强，反映的就是这个视觉事件实际持续了多久。

第二阶段发生在顶叶和前运动区，这些区域位于大脑的顶部和中部附近。在这些区域，研究人员观察到了一张完整的时间拓扑分布图。

这些中间区域的神经元对实验中出现的所有时间长度都有反应。有些细胞群只对一闪而过的短时刺激有反应，另一些则只对中等时长或较长时间的刺激有反应。

这些专门的细胞按各自偏好的时长，整齐地聚成一簇一簇的。这表明顶叶和前运动区负责提取视觉事件的具体时长，让大脑精确知道刚才过了多久。

最后阶段发生在大脑的额叶区域，包括前脑岛和嘴侧辅助运动区。这些区域跟复杂思考、做决定和自我意识关系密切。

在这些额叶区域，神经元不会对全部时长都产生反应。相反，它们对时间范围的中间值表现出强烈偏好，这个中间值接近参与者记住的“半秒”那个参考时长。

这种对中间时长的偏好，其实就是参与者区分长短的界线。通过记录参与者从说“更短”到改口说“更长”的准确时间点，研究人员计算出每个人各自主观判断的分界线。

这些额叶区域的活动与这些主观界限完全一致。这表明额叶区域把原始的时间长短信息，转化成一种带有个人色彩、抽象的归类方式。

作者写道：“我们的研究结果表明，时间知觉不是一个单一的过程，而是由分布在大脑皮层的多个处理阶段共同产生的结果。每个阶段的作用都不一样，从对实际时间长度的编码，到形成对时间的主观体验。”

为了解读脑部扫描数据，研究团队使用了一种名为“群体感受野建模”的数学方法。这项技术使他们能够估算大脑微小区域内神经元对时间的具体选择性。

通过绘制这些选择性图谱，团队可以准确看到哪些脑回包含对短暂时刻敏感的神经元，哪些包含对较长时长敏感的神经元。他们还评估了这些选择性在空间上是如何聚集的。

在大脑后部的视觉区域，对时间敏感的细胞在空间上的聚集相对较弱。然而，在顶叶和额叶区域，时间偏好完全相同的神经元紧密聚集在一起。

这种紧密聚集表明，随着大脑从单纯看到一个事件，到对它做出决策，将时间组织成结构化图谱变得更加重要。大脑会实实在在地调整细胞排列，以应对信息分类的需求。

此外，研究人员注意到负责身体运动的区域在大脑左右两侧存在差异。由于参与者使用右手按下反应按钮，左半球的运动区域显示出明显的活动模式。

这些运动区域始终倾向于选择尽可能短的时长。研究人员怀疑，这是图形一出现，大脑就立即准备做动作，只是个附带结果，而不是真正在测量时间的流逝。

在辅助运动区（大脑靠近头顶的一个区域，帮助计划动作）中，还发现了一个令人惊讶的细节。研究人员发现，该区域前部和后部处理时间的方式明显不同。

辅助运动区的后半部分里面的细胞能对全部时长产生反应，像秒表一样计时。前半部分则包含边界细胞，帮助判断时间是短还是长。

这种同一脑区内的分工此前已在动物研究中观察到。在人类身上发现这一现象，表明该特定区域可能起到核心枢纽的作用，把实际时间和主观时间整合起来。

这项影像学研究虽然给出了视觉时间感知的详细图谱，但确实有一些局限。该研究完全聚焦于大脑皮层，即大脑表面折叠的那一层。

研究团队没有测量更深层脑结构或小脑的活动，而我们知道，这些区域在时间处理中也有作用。以后的研究需要看看这些更深层的区域，以了解它们如何与皮层图谱相互作用。

该实验还只限于视觉时间感知。大脑是否使用完全相同的通路来处理声音或触觉的时长，目前还没有答案。

为了搞明白额叶中的边界神经元，研究人员建议做实验，测试多种不同的参考时长。这将揭示当任务规则改变时，边界细胞是否会真的改变它们的偏好。

尽管有这些局限，这项研究还是更清楚地展现了一道闪光如何转变成对时间的有意识体验。它表明，我们对时间的感知是大脑协作的结果，经由大脑内部一条专门的流水线传递。

这项研究《大脑皮层各处的神经元群体构成了视觉时长的离散、类别性和主观表征的基础》由瓦莱里娅·琴塔尼诺、詹弗兰科·福尔图纳托和多梅尼卡·布埃蒂合著。