人類非常善於記錄時間的流逝。我們除了在生活中需要優秀的時間管理，我們的身體和大腦所做的幾乎所有事情都需要精確的時鐘，甚至精確到毫秒。
時間感是我們行為和感知世界的基礎。如果沒有敏銳的時間感，我們的生活將會變成一團亂麻，無法移動和交談，更沒有辦法記憶或學習。
或許我們平時不會意識到，但即使是走在街上這樣簡單的行為，都需要身體精密的計時控制。肌肉發力，關節穩定，它們必須在一個精確編排的時間序列中發生，只不過這些事情都「偽裝」成了日常生活中毫不起眼的一部分。
時間幫助我們感知世界，那我們又是如何感知時間的？這類問題非常困難，它可能有成千上萬種複雜的答案，完全取決於科學家提出的具體問題究竟是什麼。
嚴格說來，時間與事件不同，我們並不像感知外界的事件那樣感知時間。1978年，神經科學家波佩爾（Ernst P ppel）提出了「基本時間體驗」（elementary time experiences）的許多方面。我們的時間體驗包括時長、非同時性、順序、過去與現在、時間流逝的變化等等。可以說，時間的概念幾乎滲透到了大腦進行的每一件事情當中。
許多科學家認為，大腦中的很大一部分可能都有能力以某種方式感知和響應時間。大腦可能包含許多不同種類的時鐘，它們以不同的速率運行。某些部分處理毫秒的信息，其他部分則記錄數十年的信息。一些神經時鐘負責身體運動，另一些則監控從感官傳入的信息。大腦的一些部位可以對未來進行時間預測，而記憶的時間則在其他地方處理。
大腦中的一些「計時器」。研究表明，當一個人被要求估計一段時間時，部分大腦區域（左）會負責處理一些外顯計時的方面。其他區域（右）則涉及內隱計時，也就是在沒有直接要求的情況下，對事件的時長進行計時預測。部分大腦區域有重疊。| 圖片來源：F. PIRAS ET AL/FRONTIERS IN NEUROLOGY 2014
隨著神經科學的飛速發展，有關時間感知的神經實驗也豐富多彩。科學正在逐步揭示出一個令人驚訝的複雜的神經計時系統，它比任何人造鐘表都要精密。這些「神經時鐘」互相影響，它們拼湊在一起，準確地反映出了外部世界中與時間有關的各個方面。
從實驗的角度來說，研究人員可以利用不同手段窺探大腦和神經的工作——對人腦進行直接研究，派出大鼠作為「代表」參與實驗，甚至可以分離出單個的神經細胞，直接在培養皿中觀察。
對人腦的研究是最直接的，因為神經細胞並不是孤立的，它們處於大腦複雜多樣的網絡中。但從某種意義上來說，對人腦的研究又是最麻煩的，因為我們不能真的「打開」人腦去研究。神經成像技術的發展幫助研究人員很好地解決了這個難題。
功能性磁共振成像（fMRI）就是其中的代表之一。fMRI的原理可以簡單理解成，當神經細胞活躍時，它們需要更多血液和氧氣，這種變化能被「掃描」出來。人腦的掃描成像揭示了大腦如何處理時間各個方面的線索，暗示了皮質、基底節與小腦的作用。
神經科學家奧弗拉特（Tobias Overath）和同事設計了「聲音被子」的實驗，他們將30到960毫秒的極短片段拼接在一起，形成長串的語音。大腦掃描顯示，隨著「聲音被子」的長度變長，顳上溝變得越發活躍。這項發現是一個極好的例子，說明大腦在將不同的聲音片段合併成有意義的單詞時，是如何使用精確的計時信息的。雖然這個結果並不是直接關於時間或者計時本身，但卻是非常有說服力的證據，證明時間如何在一些基本而重要如語言等事物上發揮作用的。
通過仔細拼湊語言片段，研究發現顳上溝對較長的聲音片段反應更強烈。| 圖片來源：ScienceNews
奧弗拉特介紹，目前還不清楚顳上溝的單個神經元是如何追蹤延長的聲音的。大腦掃描目前還達不到檢測單個神經細胞行為所需的解析度。但對動物的研究或許能提供一些線索。
大鼠是神經科學家經常「合作」的對象之一。在大鼠身上的一項研究清楚地解釋了一些細胞是如何標記秒的。實驗中，大鼠被訓練學會按下槓桿喝水，但水只在一定時間後才會出現。這些大鼠很快學會了不要太早地浪費體力推動槓桿，這種行為顯示了它們的計時能力。
在大鼠計時的過程中，神經科學家梅洛（Gustavo Mello）用電極「竊聽」了老鼠紋狀體的神經元，這是一個被認為對時間感知很重要的腦區。研究發現了能夠按順序發出電信號的細胞，這一過程跨越了整個等待期。這些細胞一直在追蹤那些流逝的秒數。
更重要的是，許多細胞會改變它們的行為，即使時間間隔變長，它們仍然能保持在序列中的正確位置。
圖中4行代表著大鼠大腦紋狀體區域的4個神經元，它們通過按順序發出信息來標記時間（上）。當它們需要計算更長一段時間時，它們的活動會延長（下），填補更大的時間間隔，但發出信號的順序依舊保持不變。| 圖片來源：H. MOTANIS AND D. BUONOMANO/CURRENT BIOLOGY 2015
梅洛把這些細胞比作橡皮筋，橡皮筋可以伸長和縮短，這些細胞也可以「伸縮」，來填滿必要的時間。這一結果表明，神經元編碼的是相對時間，而不是絕對時間。
在另一項實驗中，參與實驗的仍然是大鼠。神經科學家範東恩（Antonius VanDongen）和同事將大鼠大腦皮質的神經元移到培養皿中。這些細胞通過基因工程被設計成對能藍光做出反應。隨後，研究小組用「音樂」來款待這些細胞——他們根據歌曲的節奏和音符精心安排了光的模式變化。當「聽到」歌曲時，神經元可以分辨出它們是在聽古典音樂還是拉格泰姆音樂（一種節奏很有特點的音樂形式），部分是因為不同計時信號的作用。
科學家將舒伯特即興曲組（上）轉換成不同的定時光脈衝模式（中）。當細胞「傾聽」時，他們的活動能夠探測到古典音樂在播放，而不是拉格泰姆音樂（下）。| 圖片來源：H. JU ET AL/J. NEUROSCI. 2015
範東恩認為，這些結果表明，時間處理是大腦的基礎，這是一件非常基本的事情。一小群神經元可能是一塊積木，它們共同搭建起更複雜的時間處理。
對大腦計時器工作原理的更深入理解，也可能揭示出更深刻的東西，例如大腦是如何構建現實的。
我們知道，一些大腦時鐘可以在不同的尺度上計時。大腦能夠將頻率各異的信息聯繫在一起，形成一種有意義的體驗。有時，大腦也需要將存在微小時間差的信號編織成統一的體驗，帶我們認識「現在」。
到目前為止，科學家仍在努力理解所有線索。研究人員試圖模擬更貼近現實世界的情景，實驗也開始變得越來越複雜。比如，在現實世界中，我們不會一次只對一件事情計時，而忽略其他事情。一些科學家正在努力研究大腦如何跟蹤多個同時發生的事件。操縱神經元的新技術也將使科學家有機會推進這一領域的研究。
所有這些都為我們接近時間這個宏大的概念，提供了多個可能的途徑。
參考來源：
https://www.sciencenews.org/article/how-brain-perceives-time
https://plato.stanford.edu/entries/time-experience/
封面圖來源：Pixabay
原標題：我們如何感知時間？
來源：原理
編輯：小林綠子