Tým vědců z Institutu Maxe Plancka na Floridě (MPFI) ve Spojených státech zjistil, jak se dvě oblasti mozku vzájemně doplňují, aby pružně řídily časování pohybů.
Mozek je hlavním orgánem nervové soustavy, a tudíž jedním z nejdůležitějších orgánů v těle. Tento biologický stroj, který je zodpovědný za koordinaci životních funkcí, zpracování smyslových informací, generování myšlenek, emocí a řízení pohybů, je „velkou neznámou“ lidského těla.
Jednou z otázek, která trápí vědce již celá desetiletí, je mechanismus, který nám umožňuje „cítit“ čas. Na rozdíl od jiných smyslů, jako je zrak nebo čich, nemá člověk orgán speciálně určený k synchronizaci času. Nemáme fyzické „hodiny“ jako takové, ale přesto jsme schopni odhadnout, zda uplynuly sekundy, minuty nebo dokonce hodiny, a podle toho přizpůsobit své pohyby a rozhodnutí.
Mozek však má schopnost měřit a zpracovávat jej za účelem koordinace našich pohybů a k něčemu ještě jemnějšímu: k uspořádání našich vzpomínek, předvídání toho, co se stane, a přizpůsobení našeho chování rytmu prostředí. Bez tohoto vnitřního vnímání času by každodenní úkony, jako je přecházení ulice, vedení rozhovoru nebo hra na hudební nástroj, byly prakticky nemožné.
Související článek
Až dosud zůstávala klíčová otázka nezodpovězena: kde a jak se tento „vnitřní čas“ v mozku vytváří? Nový článek MPFI vrhá na tuto otázku světlo a navrhuje jednoduchý vizuální model: mozkové „přesýpací hodiny“ tvořené dvěma oblastmi, které se dělí o měření a vynulování plynutí času.
Jak měříme čas?
Při provádění práce se vědci zaměřili na motorickou kůru, která je zodpovědná za plánování a provádění pohybů, a striatum, mozkovou strukturu podílející se na učení, kontrole motorických funkcí a rozhodování.
Motorická kůra se nachází v přední části mozku a funguje jako jakési „velitelské centrum“, které vysílá příkazy svalům. Striatum je součástí bazálních ganglií, souboru hlubokých jader, která upravují intenzitu, začátek a konec pohybů a podílejí se také na motivaci a vytváření návyků.
Ačkoli předchozí studie ukázaly, že obě oblasti hrají klíčovou roli v synchronizaci pohybů, ani jedna z nich nedokázala vysvětlit, jak sdílejí časové funkce a jak fungují při měření plynutí času – až doposud.
Neurověda již léta disponuje různými hypotézami o tom, jak mozek měří čas: od představy „vnitřního pacemakeru“, který vysílá pravidelné impulsy, až po modely, podle nichž je čas zakódován ve vyvíjejících se vzorcích nervové aktivity, jako by každá sekunda odpovídala jinému „tvaru“ aktivace v mozkových sítích. Chyběly však přímé důkazy spojující tyto modely s konkrétními obvody a měřitelným chováním.
„Věděli jsme, že v mozku existuje nastavitelný časovač, ale nechápali jsme, jak je konstruován a jakou roli přesně hrají jednotlivé oblasti. Naším cílem bylo tento mechanismus co nejpřesněji odhalit, protože vnímání času je zásadní téměř pro všechno, co děláme,“ říká Zidan Yang, vedoucí vědec studie.
Za tímto účelem vědci navrhli experiment, ve kterém trénovali myši, aby prováděly přesný časový úkol: olizovaly dávkovač, aby po určitém časovém intervalu dostaly odměnu. Při tomto typu úkolu se zvíře musí naučit nejen to, co má udělat, ale také kdy to má udělat, což z myší činí užitečný model pro studium vnímání času v měřítku sekund.
Mezitím vědci zaznamenávali aktivitu tisíců neuronů v motorické kůře a striatu a sledovali vývoj neuronálních vzorců. Pomocí technik zobrazování vápníku a elektrických záznamů s vysokým rozlišením sledovali téměř v reálném čase, jak se aktivita těchto neuronů měnila v průběhu čekání zvířete na pohyb a jeho provádění.
Pozorovali, že aktivita neuronů nebyla náhodná: sledovala vysoce organizované trajektorie, jako by neurony během čekacího intervalu sledovaly určitou „trasu“. Zdálo se, že tato dráha nebo dynamický vzorec kóduje, kolik času uplynulo od začátku pokusu do okamžiku odpovědi.
Přesýpací hodiny v mozku
Pomocí optogenetiky, vysoce pokročilé metodiky, která dokáže „aktivovat“ nebo „umlčet“ aktivitu specifických neuronů pomocí světelných pulzů, byli vědci schopni dočasně „přerušit“ určité části mozku a sledovat, jak se mění „vnitřní hodiny“ hlodavců.
Optogenetika kombinuje genetiku a světlo: do konkrétních neuronů se zavádějí proteiny citlivé na světlo (iontové kanály, které se otevírají nebo zavírají, když na ně dopadá záblesk světla). Osvětlením určité oblasti mozku optickým vláknem mohou vědci zapínat nebo vypínat skupiny neuronů s přesností na milisekundy. Tato technika způsobila revoluci v neurovědách, protože umožňuje nejen pozorovat, ale také přímo manipulovat s mozkovými obvody a sledovat, jak se mění chování.
Získané výsledky byly ohromující.
„Umlčením“ motorické kůry se tok signálů zastavil, jako kdyby někdo stiskl hrdlo přesýpacích hodin a zabránil tak zrnkům, aby dále padala do spodní nádoby.
To způsobilo, že „vnitřní hodiny“ myší zamrzly, což způsobilo zpoždění jejich reakce. Zvířata se stále snažila úkol splnit, ale jejich odhad intervalu se stal nepřesnějším a měla tendenci reagovat příliš pozdě, jako by se subjektivní čas během přerušení „zpomalil“ nebo zamrzl.
Naproti tomu když „vypnuli“ striatum, systém se znovu rozběhl, jako by někdo otočil přesýpací hodiny. V tomto případě se myši chovaly, jako by interval začal znovu: jejich vzorec reakcí se posunul, což naznačovalo, že vnitřní počítání času bylo resetováno.
Studie tedy naznačuje, že motorická kůra funguje jako hrdlo přesýpacích hodin, které reguluje nepřetržitý tok „časového písku“ (postup vnitřního času), zatímco striatum funguje jako mechanismus, který umožňuje hodiny otočit, tj. v případě potřeby začít počítat nebo znovu spustit.
Tento model odpovídá představě, že čas není měřen jedinými centrálními „hodinami“, ale vzniká na základě dynamiky distribuovaných sítí. Namísto jednotného tikotu máme k dispozici vzorce aktivity, které se posouvají, zastavují nebo znovu spouštějí podle potřeb úkolu a signálů, které kolují mezi různými oblastmi mozku.
Za hranice pohybu: Čas v každodenním životě
Ačkoli se experiment zaměřuje na časování velmi specifického pohybu (olizování dávkovače), jeho důsledky sahají mnohem dále. Schopnost přizpůsobit načasování našich činností je zásadní téměř pro všechno, co děláme.
Když jdeme po ulici a počítáme, zda máme čas přejít ulici, než se změní semafor, používáme tyto „vnitřní hodiny“. Totéž platí, když vedeme rozhovor a střídáme se v mluvení, když tančíme do rytmu hudby nebo když řídíme auto a předvídáme dráhu ostatních vozidel.
Předchozí studie u lidí ukázaly, že do úkolů časového odhadu jsou zapojeny oblasti jako prefrontální kůra, mozeček a bazální ganglia, a to v závislosti na tom, zda hovoříme o velmi krátkých intervalech (milisekundy), sekundách nebo minutách. Nová práce MPFI doplňuje tuto linii výzkumu tím, že s nebývalou mírou podrobnosti ukazuje, jak se dvě z těchto klíčových oblastí koordinují při vytváření času, který je flexibilní a přizpůsobitelný požadavkům prostředí.
Vnímání času navíc neovlivňuje pouze pohyb. Ovlivňuje také to, jak si pamatujeme události (co se stalo předtím nebo potom), jak hodnotíme budoucí odměny (např. dnešní spoření pro zítřejší zisk) a jak prožíváme emoce, jako je nuda nebo úzkost, které jsou často doprovázeny pocitem, že se čas prodlužuje nebo zkracuje.
Jedny univerzální hodiny, nebo mnoho hodin?
Jednou z velkých otevřených otázek v neurovědách je, zda v mozku existuje jediný systém měření času, nebo zda různé úkoly používají různé „hodiny“. Hromadící se důkazy ukazují na druhou možnost: neexistují jediné hodiny, ale více časovacích mechanismů rozmístěných v několika oblastech.
Nález „přesýpacích hodin“ mezi motorickou kůrou a striatem tomuto názoru odpovídá. Místo jediného časového centra zde nacházíme specializované obvody, které jsou zodpovědné za specifické intervaly a specifické funkce (např. koordinaci pohybů, uspořádání vzpomínek nebo předvídání zvuků). Tyto obvody spolu komunikují, ale mohou být nezávisle na sobě změněny, což může vysvětlovat, proč některé nemoci ovlivňují některé aspekty času a jiné ne.
Například u Parkinsonovy nemoci mají pacienti často potíže se zahájením pohybů v čase nebo se sledováním rytmu, ale mohou si relativně dobře zachovat jiné formy vnímání času, jako je odhad trvání videa nebo rozhovoru. To naznačuje, že pohybové „hodiny“ jsou poškozeny, zatímco ostatní mozkové hodiny fungují i nadále.
Velký krok pro medicínu
Ať už jde o chůzi, mluvení nebo dokonce jídlo, přesné a tvárné načasování pohybů je pro každodenní chování nezbytné. Nemoci, jako je Parkinsonova nebo Huntingtonova choroba, jsou chronické neurodegenerativní patologie, které se vyznačují právě inhibicí této časové koordinace.
U Parkinsonovy choroby degenerace dopaminergních neuronů, které se promítají do bazálních ganglií, mění způsob komunikace mezi striatem a motorickou kůrou. To má za následek třes, ztuhlost a pomalost pohybů, ale také zkreslené vnímání času a potíže při synchronizaci činností s vnějšími signály, jako je metronom nebo hlas jiné osoby.
U Huntingtonovy choroby způsobuje postupný úbytek neuronů ve striatu mimovolní pohyby (chorea) a kognitivní problémy, včetně poruchy odhadu časových intervalů. Podrobné pochopení toho, jak se tato oblast podílí na „resetování“ vnitřních hodin, by mohlo pomoci vysvětlit, proč mají tito pacienti potíže s nastavením začátku a konce svých pohybů.
Znalost toho, jak „mozkový čas“ funguje, by však jednoho dne mohla pomoci obnovit pohyb u těchto poruch. Pokud bychom věděli, jaké vzorce aktivity jsou nezbytné pro správný postup vnitřních hodin, mohli bychom navrhnout terapie, které by se pokusily tyto vzorce reprodukovat nebo kompenzovat, když je obvod poškozen.
Jedním z nejslibnějších směrů je hluboká mozková stimulace (DBS), technika, která se již používá u pacientů s pokročilou Parkinsonovou chorobou. Zahrnuje implantaci elektrod do hlubokých oblastí mozku, jako je subthalamické jádro, a aplikaci řízených elektrických impulsů, které modulují aktivitu bazálních ganglií. Úprava těchto impulzů tak, aby zohledňovaly „přesýpací hodiny“ popsané MPFI, by mohla v budoucnu dále zlepšit časovou přesnost pohybů u těchto pacientů.
Zkoumají se také méně invazivní přístupy, jako je transkraniální magnetická stimulace (TMS) nebo transkraniální stimulace stejnosměrným proudem (tDCS), které aplikují magnetické pole nebo slabé proudy z vnější strany lebky k úpravě excitability motorické kůry. Pokud je mozková kůra „krkem“ přesýpacích hodin, mohla by modulace její aktivity pomoci korigovat změny ve vnímání času u motorických poruch a potenciálně i u psychiatrických poruch, kde je subjektivní čas také změněn, jako je deprese nebo schizofrenie.
„Motorická kůra a striatum jsou kritické oblasti pro kontrolu pohybu a jsou postiženy u mnoha motorických poruch. Pochopení toho, jak vzorce jejich aktivity umožňují přesnou synchronizaci, je zásadním krokem při vývoji budoucích terapií,“ vysvětluje Hidehiko Inagaki, vedoucí výzkumné skupiny MPFI a hlavní autor studie.
Co bude dál: Od myší k lidem
Stejně jako většina studií v oblasti základních neurověd byly i experimenty s MPFI prováděny na myších. To vyvolává nevyhnutelnou otázku: do jaké míry můžeme tyto výsledky extrapolovat na lidský mozek?
Dobrou zprávou je, že příslušné struktury – motorická kůra a striatum – jsou mezi savci velmi konzervované. Jejich základní uspořádání a spojení jsou u myší, opic a lidí podobné, takže je velmi pravděpodobné, že principy jako „přesýpací hodiny“ platí i pro náš druh.
Dalším krokem bude spojit tato zjištění se studiemi u lidí pomocí neinvazivních technik zobrazování mozku, jako je funkční magnetická rezonance (fMRI) nebo magnetoencefalografie (MEG), které umožňují sledovat, jak se mění vzorce aktivity v různých oblastech při provádění časově synchronizovaných úkolů.
Kromě toho umělá inteligence a počítačové modely neuronových sítí začínají reprodukovat chování podobné tomu, které bylo pozorováno v této studii: sítě, které se bez explicitních hodin učí měřit časové intervaly z dynamiky své vlastní aktivity. Tyto modely mohou sloužit jako „virtuální laboratoře“ k testování hypotéz o uspořádání času v mozku předtím, než se přenesou do laboratoře se zvířaty nebo lidmi.
Pochopení toho, jak mozek konstruuje čas, má nakonec nejen medicínské, ale i filozofické důsledky. Naše subjektivní prožívání minulosti, přítomnosti a budoucnosti – to, co pociťujeme jako tok času – může být zčásti výsledkem těchto mikroskopických přesýpacích hodin, které se v naší hlavě tiše zapínají a vypínají.
O jednu záhadu méně
Studie MPFI nevyřešila všechny záhady týkající se času v mozku, ale poskytuje klíčový kousek skládačky: s nebývalou jasností ukazuje, jak se dvě konkrétní oblasti dělí o práci na urychlování a vynulování našich vnitřních hodin.
V tak složitém a stále ještě záhadném orgánu, jakým je mozek, každý takový průlom neodpovídá pouze na jednu otázku, ale otevírá mnoho dalších. Jak tyto motorické přesýpací hodiny koordinují s dalšími smyslovými a kognitivními hodinami? Můžeme vědomě modulovat naše vnímání času tréninkem těchto obvodů? Do jaké míry individuální rozdíly v těchto mechanismech vysvětlují, proč u některých lidí „čas letí“ a u jiných ne?
Zatím víme jen to, že za každým naším krokem a gestem, které uděláme ve správný okamžik, stojí jemná souhra signálů mezi motorickou kůrou a striatem. Zatím víme jen to, že za každým naším krokem a gestem, které uděláme ve správný okamžik, stojí jemná souhra signálů mezi motorickou kůrou a striatem – malé biologické přesýpací hodiny, které zrnko po zrnku udávají rytmus našeho každodenního života.