Wie sagt dein Gehirn Zeit?

Von den Sonnenuhren und Wasseruhren der alten Ägypter über die ersten Marinechronometer bis hin zu modernen Atomuhren haben Menschen sich auf die Suche begeben, die Zeit mit immer größerer Genauigkeit zu messen. Diese Aufgabe revolutionierte die maritime Erkundung, verankerte die industrielle Revolution und ermöglichte es uns, uns selbst (und unsere verlorenen Smartphones) im Weltraum genau zu lokalisieren. In der modernen Welt verfolgen wir die Zeit auf Skalen regelmäßig über fünfzehn Größenordnungen: von der für GPS erforderlichen Präzision von Nanosekunden bis hin zur Verfolgung unserer jährlichen Sonnenumrundung. Und dazwischen messen wir die Minuten und Stunden, die unsere täglichen Aktivitäten bestimmen. Erstaunlicherweise können wir dasselbe Gerät verwenden, um Zeit über dieses gesamte zeitliche Spektrum zu messen: Atomuhren werden verwendet, um sowohl die Verzögerung von Nanosekunden bei der Ankunft von Signalen von verschiedenen Satelliten zu messen, als auch um Anpassungen an das Kalenderjahr vorzunehmen. Diese eine Uhr passt für jede Strategie ist das genaue Gegenteil der Lösung, die von der Natur entwickelt wurde, um das Problem der Zeit zu lösen.

Jedes Mal, wenn Sie Ihren Kopf in Richtung eines kreischenden Autos drehen, erzählen Sie tatsächlich Zeit. Ihr Hörsystem verfolgte die Tatsache, dass der Schall einhundert Mikrosekunden vor dem anderen in einem Ohr eintraf, und nutzte diese Information, um zu berechnen, woher der Klang kam. Auf der viel längeren Skala der Stunden und Tage nimmt unsere circadiane Uhr den Sonnenaufgang und Sonnenuntergang vorweg und macht eine große Auswahl von hormonellen und physiologischen Anpassungen, um uns auf die Schlafenszeit vorzubereiten. Im mittleren Bereich, in der Größenordnung von Millisekunden und Sekunden, ist die Fähigkeit des Gehirns, Zeit zu bestimmen, gleich oder wichtiger. Sprache und Musik würden nicht existieren, wenn wir die in den Dauersilben, Wörtern und Noten enthaltenen Informationen oder die Pausen zwischen ihnen nicht messen könnten. Und auf einer etwas längeren Skala sagt uns unser subjektives Zeitempfinden, wann das rote Licht grün wird.

Aber wie erzählt das Gehirn die Zeit? Obwohl wir die vollständige Antwort auf diese Frage noch nicht kennen, wissen wir, dass es keine einheitliche Antwort gibt.

Die zirkadiane Uhr ist wahrscheinlich die am besten verstandene Zeituhr des Gehirns. Und um ehrlich zu sein, brauchen Organismen nicht einmal ein Gehirn, um die täglichen Rhythmen der Erde vorwegzunehmen. Menschen, Fruchtfliegen, Pflanzen und sogar einige Bakterien haben zirkadiane Rhythmen. Sie fragen sich vielleicht, warum sich ein Bakterium um die Tageszeit kümmert? Interessanterweise war die früheste Kraft, die die Entwicklung der zirkadianen Uhren antrieb, wahrscheinlich die schädlichen Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf die DNA. Ultraviolette Strahlung verursacht Mutationen während der DNA-Replikation. Einzeller, die kein schützendes Organ wie die Haut haben, sind besonders anfällig für lichtinduzierte Replikationsfehler. Die Teilung in der Nacht war somit ein Mittel, um den Fortpflanzungserfolg zu steigern. Ob bei Menschen, Pflanzen oder Bakterien, die zirkadiane Uhr beruht auf einer biochemischen Rückkopplungsschleife. DNA synthetisiert Proteine ​​durch Transkription, wenn dieses Protein eine kritische Konzentration erreicht, hemmt es die DNA-Transkription, die für seine Synthese verantwortlich war; und wenn das Protein abgebaut wird, beginnt die DNA-Transkription und die Synthese des Proteins von neuem. Nicht zufällig dauert dieser Zyklus ungefähr 24 Stunden. Die Details der Gene und Proteine, die an der zirkadianen Uhr beteiligt sind, variieren von Organismus zu Organismus, aber die allgemeine Strategie ist die gleiche.

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Wir wissen viel weniger darüber, wie das Gehirn die Unterschiede in der Pause zwischen den Worten in "keine Hunde bitte" und "keine Hunde bitte" misst. Oder wie das Gehirn den nächsten Klingelton eines klingelnden Telefons vorwegnimmt? Es wird jedoch zunehmend klar, dass die Antwort wenig Ähnlichkeit mit einer tatsächlichen Uhr haben wird.

Alle modernen Uhren funktionieren auf zwei einfachen Komponenten: einem Oszillator und einem Zähler. Der Oszillator, wie das Pendel einer Standuhr oder die elektromechanischen Schwingungen eines Quarzkristalls einer Digitaluhr, schwingt mit konstanter Geschwindigkeit. Der Zähler verfolgt einfach die Gesamtanzahl der Tics des Oszillators. Aber es gibt viele Möglichkeiten, Zeit zu bestimmen, die keine Oszillatoren und Zähler benötigt. Betrachten Sie die Wellen, die durch zwei Regentropfen entstehen, die in einen Teich fallen. Jeder erzeugt sich ausdehnende konzentrische Ringe, und wenn Sie ein Bild von zwei Kräuselungen gezeigt wurden, konnten Sie sagen, welcher Regentropfen zuerst fiel – und wenn Sie so geneigt waren, konnten Sie den Abstand zwischen beiden Tropfen berechnen. Es gibt jetzt signifikante Beweise dafür, dass auf dieselbe Weise die Muster der Wellen auf einem Teich verwendet werden können, um die Zeit zu bestimmen, dass das Gehirn wechselnde Muster neuraler Aktivität verwendet, um die Zeit zu bestimmen ¹ . Um zu verstehen, wie das funktionieren könnte, stell dir vor, du würdest nachts die Fenster eines Wolkenkratzers betrachten und für jedes Fenster kannst du sehen, ob das Licht im Raum an oder aus ist. Nehmen wir nun an, dass sich aus irgendeinem Grund das gleiche Muster jeden Tag wiederholt. In einem Fenster geht das Licht sofort bei Sonnenuntergang an, in einem anderen eine Stunde nach Sonnenuntergang, in einem anderen geht das Licht bei Sonnenuntergang an und nach einer Stunde aus und dann wieder in 3 Stunden. Wenn es 100 Fenster gäbe, könnten wir zu jedem Zeitpunkt 1 0 1 … bei Sonnenuntergang, 1 1 0 … eine Stunde nach Sonnenuntergang und so weiter – jede Ziffer eine Reihe von Binärziffern aufschreiben, die den "Zustand" des Gebäudes darstellen Darstellen, ob das Licht in einem bestimmten Fenster ein- oder ausgeschaltet war. Obwohl das Gebäude nicht als Uhr gestaltet wurde, können Sie sehen, dass wir es verwenden könnten, um die Zeit anhand des Lichtmusters in den Fenstern zu bestimmen. In dieser Analogie ist jedes Fenster ein Neuron, das "eingeschaltet" (Aktionspotentiale abfeuern) oder "ausgeschaltet" (still) sein kann. Der Schlüssel für dieses System ist, dass das Muster reproduzierbar sein muss. Eine Reihe von Studien haben aus Gruppen von Neuronen aufgezeichnet, während Tiere eine Aufgabe erfüllten, und zeigten, dass das sich verändernde Muster aktiver Neuronen verwendet werden könnte, um Zeit im Verlauf von Sekunden zu bestimmen.

Als Folge des inhärent unsystematischen Entwicklungsprozesses der Evolution haben wir ein Amalgam verschiedener biologischer Zeitmessmechanismen in unserem Gehirn. Und jedes Mal, wenn sich der Pfleger auf eine ganz bestimmte Zeitspanne spezialisiert hat. Mit anderen Worten, Ihre zirkadiane Uhr hat keine zweite Hand, und die Mechanismen, die Sie verwenden, um Ihnen zu sagen, wann sich das rote Licht ändert, haben keinen Stundenzeiger.

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