当爱因斯坦遇上神经科学家:为什么快乐让时光飞逝?

当爱因斯坦遇上神经科学家:为什么快乐让时光飞逝?
来源:CASE PRESS
 撰文|骆宛琳

为什么快乐的时候,时间总是过得特别快?爱因斯坦为了要让相对论比较容易理解,曾经举了「美女与火炉」的例子。坐在美女旁边一小时,感觉光阴似箭;坐在火炉上,那一小时却漫长如年。如果爱因斯坦举的例子让我们会心一笑又感同身受,藏在背后的神经学机转是什么?在去年年底的 Science 期刊上,有神经科学家用生物学的角度,尝试解释了爱因斯坦的「名例」。


 

位在葡萄牙里斯本,查帕里玛德未知研究中心的 Joseph Paton 博士实验室,对大脑如何管控「时间感」一直很有兴趣。在日常经验里,不管大脑内哪个中心管控了时间的度量衡,实在是太因时、因地、还有因情绪制宜了!我们对时间走了多久的衡量,标准超级不一。当玩疯的时候,时间总是一下子就用光了;但百般无聊时,不论看几次手表,时间爬得比蜗牛还慢。

这是为什么?

Paton 博士首先最想要勘查的大脑区域,是位于中脑的多巴胺神经元。他们之所以对这区大脑神经元最感兴趣,因为在许多神经系统疾病、或是神经精神失调症候群里,当患者的时间观出现打迷糊仗般扭曲时,似乎都和中脑的多巴胺神经元脱不了关系。像是神经退化疾病巴金森症、注意力缺失过动症,或是焦虑症、与使用刺激药物成瘾的患者。但是,中脑的多巴胺神经元有点像是千手观音一样,能做、也会做很多的事。因此,如果想要厘清中脑多巴胺神经元,是否真的是主宰我们估计时间走多快的幕后主使,需要极端仔细地,好好把实验设计想清楚。

●多巴胺神经元活性

于是,Paton 博士的实验室决定这样做:他们先训练小鼠学会分辨两个铃响之间的时间,比「标准值」长、还是短?考量老鼠的时间观,他们以「一秒半」为标准。两个铃响中间的时间间隔是随机选取,从 0.6 秒,到 2.4 秒都有可能。在第二个铃响之后,实验小鼠必须判断两个铃响的时间间隔,是比一秒半长,还是比一秒半短,然后在代表了「比较快」或代表「比较慢」的两个孔洞之间做出选择。如果小鼠判断正确了,就可以在正确答案的孔洞得到奖励;反之,如果答错了,只会听到错误答铃。

当两个铃声的时间间隔和一秒半差很多的时候(例如间隔 0.6 秒与 2.4 秒),聪明的实验小鼠答对的机率几乎是百分之百。但当两铃响的间隔愈来愈接近一秒半的时候,题目难度上升,小鼠答错的比例就变高,而且对「玩」试验的动机也兴致缺缺。同时间,Paton 实验室的研究人员,利用光纤光度测定技术,可以即时地监测中脑黑质致密部多巴胺神经元的钙离子活动。当老鼠在测验里伤脑筋的时候,如果研究人员看到钙离子突然流进多巴胺神经元细胞内,就可以知道该处的多巴胺神经元被活化了。

所以,在测验中,小鼠中脑处的多巴胺神经元活性如何呢?研究人员在第一声铃响、第二声铃响,与最终答案揭晓的时候,都观察到了多巴胺神经元的反应。

但因为多巴胺神经元太能者多劳,参与大脑许多事,让如何分析、解构与搞懂这些实验数据,不仅要费一番功夫,还得花不少脑筋。在多巴胺神经元参与的大小事里,其中之一,就是跟奖赏有关的学习。而在 Paton 博士的实验设计里,显然「酬赏」扮演了决定性的角色。因此,该怎样把多巴胺神经元在酬赏学习里的角色,和其可能在「掌控流逝时间感」里的贡献分离出来呢?

实验里伴随第二声铃响所观察到的多巴胺神经元活性很有趣。其一,当第二声铃响时,「预示」了奖赏就在眼前的可能性。因此,小鼠对即将来到的奖赏的期待,可以解释所观察到的多巴胺神经活化。而奖赏到来的可能性,跟出题的难易度习习相关。当两声铃响间隔很久、或相隔极短,对小鼠而言都超容易,所以得到奖赏的可能性就会最大;反之,愈靠近一秒半的间隔,可能性就最低。

但如果多巴胺神经元也负责管「时间感」,上面的情境就不会是唯一能调节第二声铃响时多巴胺神经元活性的因素。小鼠对于「时间感」的预期,也会对多巴胺神经元的活化有影响。

●「酬赏预测误差」现象

在跟酬赏有关的学习里,要引起多巴胺神经元的注意,酬赏有没有「如预期般发生」也是一个关键。神经科学家管这个现象叫作「酬赏预测误差」。如果奖赏如预期般的发生了,多巴胺神经元的活性反而很低。如果奖赏在毫无预期的时间点出现了,多巴胺神经元才会被活化,启动「啊!世界比我想像中还要美好」的正向预测误差讯息,增加多巴胺的释放,以便让生物个体能够借由修正行为,来让得到奖酬的机率最大化。相反的,如果被预期中的奖励放了鸽子,负向的预测误差讯息就会降低神经元释出多巴胺。

要让「酬赏预测误差」能够运作,「时间感」本身也是居中要角。所以,到底多巴胺神经元是如何让「时间感」逃不出自己的手掌心?

在 Paton 博士的实验设计里,两个铃响之间的间隔是随机选取,因此,铃响间隔时间愈短,对小鼠来说,愈有「时间」的惊奇感。当铃响间隔很久时,小鼠因为太有时间准备好第二铃声随时会响,惊奇感比较低。

研究人员发现,果真「奖赏即将来到的预示」和「时间的惊奇」,两个因素都对伴随第二声铃响的多巴胺神经元活性有同等贡献。而且,当老鼠能够做出正确判断时,多巴胺神经元的活性随着时间间隔的拉长而递减。当多巴胺神经元活性高时,老鼠能够正确选择「时间比一秒半短」,活性变低的时候,老鼠就会正确的选择「时间比一秒半长」。而那些判断错误的老鼠,则出现恰恰相反的多巴胺神经元活性。研究人员不但能够根据第二声铃响时的多巴胺神经元活性,来预测老鼠会不会做出正确选择;还可以借由微调多巴胺神经元的活性,来影响老鼠答题的正确率呢!

而这,也解释了为什么当我们开心的时候,或是兴致高昂的时候,会觉得时间过得特别快。因为,这些情境都会增加多巴胺神经元的活性。因此,比平常时候要高的多巴胺神经元活性,让我们低估流逝的时间,而像做出「时间比一秒半短」判断的老鼠一样,觉得时间其实只过了一下下呢!

原始论文:
  Soares S, Atallah BV, Paton JJ. Midbrain dopamine neurons control judgment of time.
  Science. 2016 Dec 9;354(6317):1273-1277. PMID: 27940870

参考资料:

Simen P, Matell M. Why does time seem to fly when we're having fun? Science. 2016 Dec 9;354(6317):1231-1232. No abstract available. PMID: 27940832
  H. Meck. Selective adjustment of the speed of internal clock and memory processes. J. Exp. Psychol. Anim. Behav. Process. 9, 171 (1983).
  I. Lake, W. H. Meck. Differential effects of amphetamine and haloperidol on temporal reproduction: dopaminergic regulation of attention and clock speed. Neuropsychologia 51, 284 (2013).
  Laje, D. V. Buonomano. Robust timing and motor patterns by taming chaos in recurrent neural networks. Nat. Neurosci. 16, 925 (2013).

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时间:2017年4月01日
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