新的研究发现大脑中的“计时细胞”可能是动物内在时钟的基础

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西北大学的一项新研究发现了一些最明显的证据，即动物可以判断时间。通过检查大脑的内侧内嗅皮层，研究人员发现了一组先前未知的神经元，当动物在等待时，这些神经元像时钟一样打开。

“你的狗知道你花了两倍的时间来获取它的食物吗?它之前没有一个好的答案，”领导这项研究的Daniel Dombeck说。“这是最令人信服的实验之一，表明当他们被挑战来测量时间间隔时，动物确实在他们的大脑中有明确的时间表示。”

这项研究发表在本周的“自然神经科学”杂志上。Dombeck是西北大学Weinberg艺术与科学学院的神经生物学副教授。

在计划研究时，Dombeck的团队专注于内侧内嗅皮质，这是一个位于大脑颞叶的区域，与记忆和导航有关。因为大脑的那部分在情节记忆中编码空间信息，所以Dombeck假设该区域也可能负责编码时间。

“每个记忆都有点不同，”Dombeck实验室的博士后研究员James Heys说。“但是所有情景记忆都有两个核心特征：空间和时间。它们总是发生在特定的环境中，并且总是按时结构化。”

为了验证他们的假设，Dombeck和Heys建立了一个名为虚拟“门挡”任务的实验。在实验中，鼠标在虚拟现实环境中的物理跑步机上运行。老鼠学会沿着走廊走到位于轨道中间大约一半的门。六秒钟后，门打开，让鼠标继续沿着走廊接受奖励。

在运行了几次培训课程后，研究人员在虚拟现实场景中看不到门。在新的场景中，鼠标仍然根据地板变化的纹理知道现在看不见的“门”的位置。它仍然在“门”处等了六秒钟，然后突然沿着赛道跑去收集它的奖励。

“这里重要的一点是鼠标不知道门是打开还是关闭，因为它是看不见的，”该论文的第一作者Heys说。“他能有效解决这项任务的唯一方法就是利用他大脑的内在时间感。”

通过使用虚拟现实，Dombeck和他的团队可以巧妙地控制潜在的影响因素，例如开门的声音。“我们无法在真实环境中使门完全隐形，”Dombeck说。“动物可以触摸它，听到它，闻到它或以某种方式感知它。它们不必判断时间;它们只会感觉到门打开的时候。在虚拟现实中，我们可以带走所有感官线索。”

但是Dombeck和他的团队做的不仅仅是观察老鼠一遍又一遍地完成停止任务。他们通过对小鼠的大脑活动进行成像，使实验更进了一步。使用双光子显微镜，可以对大脑进行高级高分辨率成像，Dombeck和Heys观察老鼠的神经元发射。

“随着动物沿着轨道行进并到达隐形门，我们看到细胞发射控制空间编码，”Dombeck说。“然后，当动物停在门口时，我们看到那些细胞关闭，一组新的细胞开启。这是一个巨大的惊喜和一个新的发现。”

Dombeck指出，这些“计时单元”在主动运行期间没有发射 - 仅在休息期间。“休息期间不仅细胞活跃，”他说，“但它们实际上编码了动物休息的时间。”

这项工作的含义远远超出了你不耐烦的狗。现在研究人员已经发现了这些新的时间编码神经元，他们可以研究神经退行性疾病如何影响这组细胞。

“患有阿尔茨海默病的患者在事情发生的时候会特别忘记，”Heys说。“也许这是因为他们正在失去内嗅皮层的一些基本功能，这是受疾病影响的第一个大脑区域之一。”

“因此，这可能会导致阿尔茨海默氏症的新早期检测试验，”Dombeck补充说。“我们可以开始要求人们判断已经过了多长时间，或者要求他们在虚拟现实环境中进行导航 - 基本上让人类做一个'停止'的任务。”

这项工作得到了美国国立卫生研究院(奖学金编号1R01MH101297)，麦克奈特基金会和芝加哥生物医学联合会的支持。

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