38, так мы улавливаем суть музыки или речи на основании временны́х связей между их элементами. Если вы говорите очень-очень медленно, становится невозможным уловить суть речи, а если исполняете музыкальную пьесу слишком быстро, она перестает быть музыкой (глава 5).
МОЗГ — ЭТО ПРОДУКТ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА И ПОЭТОМУ «СДЕЛАН» ТАК, ЧТОБЫ ЕГО ОБЛАДАТЕЛЬ МОГ ВЫЖИТЬ В ЖЕСТКОМ И БЕСКОНЕЧНО МЕНЯЮЩЕМСЯ МИРЕ. ВЫЯСНЯЕТСЯ, ЧТО ЛУЧШИЙ СПОСОБ ПРЕУСПЕТЬ В ЭТОМ МИРЕ — НАУЧИТЬСЯ ПРЕДУГАДЫВАТЬ, ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ В БУДУЩЕМ И КОГДА. ПОЭТОМУ МОЗГ — ЭТО МАШИНА, КОТОРАЯ И ПРЕДУГАДЫВАЕТ БУДУЩЕЕ, И ОПРЕДЕЛЯЕТ ВРЕМЯ.
Измерение времени — не то же самое, что осознание течения времени. Сознание работает слишком медленно, чтобы обнаруживать паузы между словами в реальном времени или выбрать момент, когда пора ловить падающий мяч. Но во временном диапазоне от нескольких секунд мы уже отдаем себе отчет не только в том, что время идет, но и в том, сколько именно времени прошло между теми или иными событиями. Мы осознанно можем предугадать, когда красный сигнал светофора сменится на зеленый. Мы понимаем, что телереклама вот-вот закончится, и возобновится спортивная передача. И мы буквально считаем секунды, пока человек в очереди перед нами не может решить, брать ли ему жареную картошку.
Мозг — это продукт естественного отбора и поэтому «сделан» так, чтобы его обладатель мог выжить в жестком и бесконечно меняющемся мире. Выясняется, что лучший способ преуспеть в этом мире — научиться предугадывать, что произойдет в будущем и когда. Поэтому мозг — это машина, которая и предугадывает будущее, и определяет время. Мозг отсчитывает время в диапазоне свыше 12 порядков величины — от минимального интервала времени, с которым звук доходит до левого и правого уха, до смены времен года.
Часы окружают нас со всех сторон: они у нас на запястье, в телефоне, в машине, в приборах, на стенах и в компьютерах. Но выясняется, что часы существуют не только снаружи, но и внутри нас. Головной мозг и тело человека и других животных умеют определять время: даже отдельная клетка печени может сообщить, какое сейчас время суток. Но как мозг определяет время? Какая часть мозга выполняет эту функцию? Теперь мы знаем, что на эти вопросы есть несколько ответов. Эволюция снабдила мозг множеством механизмов для определения времени. Этот подход (разные часы для разных временны́х интервалов), который я буду называть принципом множественности часов, отличается от нашего подхода к изготовлению часов. Даже самые простые наручные часы могут достаточно точно отсчитывать сотые доли секунды, секунды, минуты, часы, дни и месяцы. Но сети нейронов головного мозга, узнающие ритм Пятой симфонии Бетховена, не имеют часовой стрелки, как не имеют секундной стрелки сети нейронов, регулирующие циклы сна и бодрствования. Возможно, на первый взгляд это противоречит интуиции, но, учитывая важнейшую роль времени для всех аспектов поведения и познания, а также разный набор стоящих перед мозгом временны́х проблем, такой «множественности часов» как раз и следовало ожидать.
3:00ДЕНЬ И НОЧЬ
Было бы неплохо, если бы мы смирились с фактом, что время — одна из тех вещей, которым мы, вероятно, не сможем дать определение… Действительно важно не то, как мы определяем время, а то, как мы его измеряем.
Одна из самых незначительных загадок науки заключается в том, почему мыши любят крутить колесо. Каждый владелец домашней крысы или мыши, также, как и любой человек, наблюдавший за этими животными в зоомагазине, наверняка видел, с каким энтузиазмом они бегают в колесе. Что заставляет их бежать? Маловероятно, что этим беднягам просто нечего делать. Люди рассказывают, что видели диких мышей, бегающих в старом колесе, брошенном в гараже, или лабораторных крыс, убегавших из клеток только для того, чтобы залезть на колесо. Эти забавные истории подкрепляются результатами экспериментов, в которых биологи расставляли крутящиеся колеса в местах естественного обитания грызунов и снимали происходящее скрытой камерой. Ученые наблюдали, как дикие мыши взбирались на колесо, спрыгивали с него, а потом залезали вновь39. Как подростки, которые тратят с трудом заработанные деньги на игровые автоматы, так и грызуны готовы «поработать» за возможность побегать в колесе. А если к колесу прикрепляют тормоза, крысы нажимают на рычаг, чтобы отсоединить тормоза и разогнаться40. У этого занятия есть даже темная сторона. Если крыс ограничивают в пище, бег в колесе может быть опасен для их здоровья. Находящиеся на диете крысы бегают в колесе гораздо активнее по сравнению с нормально питающимися крысами, не имеющими свободного доступа к колесу; в результате у них возникают дополнительные проблемы со здоровьем, и повышается уровень смертности41.
Сможем мы разгадать эту маленькую тайну или нет, но маниакальное желание мышей, крыс и хомяков побегать в колесе помогло нам сильно продвинуться в понимании того, как мозг определяет время, по крайней мере, время суток. Представленный на рис. 3.1 график называется актограммой42 и отражает движение мыши в колесе. Каждый раз, когда колесо совершает полный круг, прибор рисует вертикальную черточку. Для наглядности и во избежание промежутков на графике данные для следующего дня показаны справа и внизу по отношению к данным каждого текущего дня. Черно-белая полоска вверху отражает 24-часовой цикл с включенным и выключенным светом. Мыши и крысы — ночные животные, поэтому они предпочитают бегать в колесе ночью, но в лаборатории их «ночь» может быть нашим днем, т. к. биологи часто изменяют световой цикл животных, чтобы студентам не приходилось работать по ночам. Судя по графику, как только выключают свет, мыши забираются на колесо и начинают бегать, спрыгивая и вновь возвращаясь на протяжении всей ночи. Через несколько дней после начала эксперимента ученые полностью отключали свет. Но, как следует из графика, даже при отсутствии внешних сигналов относительно времени суток мыши продолжали следовать обычному суточному ритму со сменой активности и покоя. Однако в полной темноте происходило что-то интересное: длительность суточного цикла изменялась от привычных 24 ч до чуть более короткого периода; это видно по постепенному сдвигу графика влево. Таким образом, по крайней мере у мышей, цикл сна и бодрствования не соответствует в точности 24 ч.
КАК ПОДРОСТКИ, КОТОРЫЕ ТРАТЯТ С ТРУДОМ ЗАРАБОТАННЫЕ ДЕНЬГИ НА ИГРОВЫЕ АВТОМАТЫ, ТАК И ГРЫЗУНЫ ГОТОВЫ «ПОРАБОТАТЬ» ЗА ВОЗМОЖНОСТЬ ПОБЕГАТЬ В КОЛЕСЕ. А ЕСЛИ К КОЛЕСУ ПРИКРЕПЛЯЮТ ТОРМОЗА, КРЫСЫ НАЖИМАЮТ НА РЫЧАГ, ЧТОБЫ ОТСОЕДИНИТЬ ТОРМОЗА И РАЗОГНАТЬСЯ.
Рис. 3.1. Актограмма движения мыши в колесе. Ночная активность мыши отражается в виде вертикальных черных штрихов, соответствующих полному обороту колеса. Если мыши постоянно находятся в темноте, их циркадный ритм сохраняется, но его период снижается до 23,5 ч, что видно по смещению графиков влево. Для наглядности и во избежание промежутков на графике данные для каждого следующего дня показаны справа и внизу по отношению к данным текущего дня. Воспроизводится с модификациями в соответствии со статьей Yang et al., 2012.
На протяжении тысячелетий считалось, что суточные вариации длительности сна и бодрствования определяются внешними сигналами, главным образом, временем заката и восхода. Однако эксперименты такого типа, как описан на рис. 3.1, показали, что даже при отсутствии внешних сигналов у животных продолжается привычный ритм сна и бодрствования, питания и изменений температуры тела. Такая цикличность означает, что где-то в организме существуют внутренние часы, отсчитывающие циркадный (circadian) ритм жизни (circa означает «около», а dian означает «день»).
Насколько точны эти внутренние (биологические) часы, и как их сопоставить с часами, сделанными руками человека? Главные характеристики любых часов — как биологических, так и рукотворных — стабильность хода и точность. Стабильность отражает среднее отклонение показаний за множество циклов, тогда как точность указывает на близость показаний часов к эталонному значению. Если колебание маятника должно совершаться за 1 с, а средний период колебания составляет 0,8 с, такие часы нельзя назвать очень точными (погрешность составляет 20 %). Но если за десятки тысяч колебаний минимальный и максимальный период колебания остается в пределах от 0,79999 до 0,80001 с, стабильность хода таких часов очень высока. Как следует из рис. 3.1, период циркадного ритма мышей не соответствует в точности 24 ч, а ближе к 23,5 ч.43 Таким образом, по отношению ко времени вращения планеты биологические часы мышей все же достаточно точные (отклонение составляет около 2 %). У животных, ведущих ночной образ жизни, период циркадного ритма обычно чуть меньше 24 ч, а у животных, ведущих дневной образ жизни, таких как человек, он чуть больше 24 ч. А вот стабильность биологических часов весьма показательна. Это видно из рис. 3.1: сдвиг к более раннему началу активности примерно одинаков изо дня в день. Исследования показывают, что при жизни в полной темноте стандартное отклонение времени начала активности мышей не превышает 10–20 мин, что для периода в 23,5 ч составляет около 1 %44.
Именно эта удивительная стабильность циркадного ритма, по-видимому, позволяет некоторым людям ежедневно просыпаться в одно и то же назначенное время. Вот что писал об этом Уильям Джеймс в трактате «Принципы психологии»: «Всю жизнь меня поражало, что каждую ночь и каждое утро я просыпаюсь в одно и то же время с точностью до минуты». Однако в лабораторных экспериментах такая удивительная стабильность наблюдается далеко не всегда. По-видимому, самопроизвольное пробуждение отчасти связано со способностью спящего мозга улавливать какие-то внешние сигналы