Comment votre cerveau dit-il le temps?

Depuis les cadrans solaires et les horloges à eau des anciens Egyptiens, en passant par les premiers chronomètres de marine jusqu'aux horloges atomiques modernes, les humains se sont lancés dans une quête de mesure du temps de plus en plus précise. Cette quête a révolutionné l'exploration maritime, ancré la révolution industrielle et permis à notre capacité actuelle de nous localiser précisément (et nos smartphones perdus) dans l'espace. Dans le monde moderne, nous suivons régulièrement le temps sur des échelles de plus de quinze ordres de grandeur: de la précision nanoseconde requise pour le GPS, au suivi de notre voyage annuel autour du soleil. Et entre ces deux extrêmes, nous mesurons les minutes et les heures qui régissent nos activités quotidiennes. Étonnamment, nous pouvons utiliser le même dispositif pour mesurer le temps dans ce spectre temporel complet: les horloges atomiques sont utilisées pour chronométrer les retards de l'ordre de la nanoseconde dans l'arrivée des signaux de différents satellites, ainsi que pour ajuster l'année civile. Cette horloge qui convient à toutes les stratégies est l'exact opposé de la solution imaginée par la nature pour résoudre le problème du temps.

Chaque fois que vous tournez la tête vers une voiture hurlante, vous êtes en train de dire le temps. Votre système auditif suivait le fait que le son arrivait dans une oreille une centaine de microsecondes avant l'autre, et utilisait cette information pour calculer l'origine du son. À l'échelle beaucoup plus longue des heures et des jours, notre horloge circadienne anticipe le lever et le coucher du soleil, et fait un large éventail d'ajustements hormonaux et physiologiques pour nous préparer à l'heure du coucher. Dans la gamme intermédiaire, à l'échelle des millisecondes et des secondes, la capacité du cerveau à lire l'heure est tout aussi importante ou plus importante. La parole et la musique n'existeraient pas si nous ne pouvions pas mesurer l'information contenue dans les syllabes de durée, les mots et les notes, ou les pauses entre eux. Et, sur une échelle légèrement plus longue, notre sens subjectif du temps nous dit quand la lumière rouge passera au vert.

Mais comment le cerveau dit-il l'heure? Bien que nous ne connaissions pas encore la réponse complète à cette question, nous savons qu'il n'y a pas de réponse unique.

L'horloge circadienne est probablement la mieux comprise des gardiens du temps du cerveau. Et à vrai dire, les organismes n'ont même pas besoin d'un cerveau pour anticiper les rythmes quotidiens de la Terre. Les humains, les mouches des fruits, les plantes et même certaines bactéries ont des rythmes circadiens. Vous vous demandez peut-être pourquoi une bactérie se soucie de l'heure de la journée? Il est intéressant de noter que la première force motrice de l'évolution des horloges circadiennes était probablement les effets néfastes du rayonnement solaire sur l'ADN. Le rayonnement ultraviolet provoque des mutations au cours de la réplication de l'ADN. Les organismes unicellulaires, dépourvus d'organe protecteur comme la peau, sont particulièrement vulnérables aux erreurs de réplication induites par la lumière. Ainsi, la division la nuit a fourni un moyen d'augmenter le succès reproducteur. Que ce soit chez les humains, les plantes ou les bactéries, l'horloge circadienne repose sur une boucle de rétroaction biochimique. L'ADN synthétise les protéines par la transcription, lorsque cette protéine atteint une concentration critique, elle inhibe la transcription de l'ADN responsable de sa synthèse; et lorsque la protéine se dégrade, la transcription de l'ADN et la synthèse de la protéine commencent à nouveau. Pas par coïncidence, ce cycle prend environ 24 heures. Les détails des gènes et des protéines impliqués dans l'horloge circadienne varient d'un organisme à l'autre, mais la stratégie générale est la même.

• Utilisons-nous seulement 10% de notre cerveau?
• Maintenir la pleine conscience pendant les vacances
• Pourquoi nous aimons toujours «s'il vous plaît tuer moi»
• Milton Friedman était tout humide partie 1
• Qu'est-ce que cela signifie d'avoir des sentiments mitigés?

Nous en savons beaucoup moins sur la façon dont le cerveau mesure les différences dans la pause entre les mots «pas de chien s'il vous plaît» et «pas de chien s'il vous plaît». Ou comment le cerveau anticipe-t-il la prochaine sonnerie d'un téléphone qui sonne? Pourtant, il est de plus en plus clair que la réponse ne ressemblera guère à une horloge réelle.

Toutes les horloges modernes fonctionnent sur deux composants simples: un oscillateur et un compteur. L'oscillateur, tel que le pendule d'une horloge grand-père ou les vibrations électromécaniques d'un cristal de quartz d'une montre numérique, s'éloigne à un rythme constant. Le compteur garde simplement la trace du nombre total de tics de l'oscillateur. Mais il existe de nombreuses façons de dire l'heure qui ne nécessitent pas d'oscillateurs et de compteurs. Considérez les ondulations créées par deux gouttes de pluie tombant dans un étang. Chacun crée des anneaux concentriques en expansion, et si on vous montre une image de deux ondulations, vous pouvez savoir quelle goutte de pluie est tombée la première – et si vous étiez si incliné, vous pouvez calculer l'intervalle entre les deux gouttes. Il y a maintenant des preuves significatives que de la même manière les motifs des ondulations sur un étang peuvent être utilisés pour dire l'heure, que le cerveau utilise des modèles changeants de l'activité neurale pour dire le temps ¹ . Pour comprendre comment cela pourrait fonctionner, imaginez regarder les fenêtres d'un gratte-ciel la nuit, et pour chaque fenêtre, vous pouvez voir si la lumière dans la pièce est allumée ou éteinte. Supposons maintenant que pour une raison quelconque, le même schéma se répète tous les jours. Dans une fenêtre, la lumière s'allume immédiatement au coucher du soleil, dans une autre une heure après le coucher du soleil, dans une autre, la lumière continue au coucher du soleil et s'éteint au bout d'une heure, puis de nouveau dans 3 heures. S'il y avait 100 fenêtres, nous pourrions écrire une chaîne de chiffres binaires représentant l '"état" du bâtiment à chaque instant 1 0 1 … au coucher du soleil, 1 1 0 … une heure après le coucher du soleil, et ainsi de suite – chaque chiffre représentant si la lumière dans une fenêtre donnée était allumée ou éteinte. Même si le bâtiment n'a pas été conçu pour être une horloge, vous pouvez voir que nous pourrions l'utiliser pour indiquer l'heure par le motif des lumières dans les fenêtres. Dans cette analogie, chaque fenêtre est un neurone qui pourrait être "allumé" (potentiel d'action de tir) ou "off" (silencieux). La clé pour que ce système fonctionne est que le modèle doit être reproductible. Un certain nombre d'études ont été enregistrées à partir de groupes de neurones pendant que les animaux effectuaient une tâche, et ont démontré que le modèle changeant des neurones actifs pouvait être utilisé pour indiquer le temps au cours des secondes.

En conséquence du processus de conception intrinsèquement non-systématique de l'évolution, nous avons un amalgame de différents mécanismes biologiques de maintien du temps dans notre cerveau. Et chaque fois que le gardien est spécialisé à l'échelle de temps très spécifique. En d'autres termes, votre horloge circadienne n'a pas de seconde main, et les mécanismes que vous utilisez pour vous dire quand la lumière rouge est sur le point de changer n'ont pas d'aiguille des heures.

• Pannes et 'Shift-Ups'
• Se lier d'amitié avec le corps: nouvelles aventures d'un méditant réticent
• Est-il temps pour le «D» de sortir du SSPT?
• Ingrédient principal de soulagement de douleur sous (plus) examen
• Sommes-nous une culture du TDAH?

Pour en savoir plus sur la façon dont le cerveau dit le temps et comment les défauts du cerveau façonnent nos vies