时间知觉的神经机制.pdf

m 国家自然科学基金 (编号: 30670706); / 9730项目子课题 (编号:2005CB522800)* 安徽医科大学第一附属医院神经内科(合肥 230022)通讯作者 (E2 mai: l wangkai1964@ 126 . co m)# 综 述#时 间 知 觉 的 神 经 机 制m刘平*汪凯*程怀东*[关键词 ] 时间知觉 脑损伤 小脑 纹状体时间是人类生活中的一个基本维度, 是物质的运动变化过程时间知觉 ( tm i e perception)是对客观现象的延续性和顺序性的认知加工过程, 即是人们对时间过得快慢或某事发生后时间长短的内在体验在心情愉快时, 我们会觉得时间飞快, 而在无聊等待时却觉得时间很慢[ 1]时间知觉同注意、 记忆及决策能力等一样, 是人类认知活动的重要基础, 与人们的日常生活及许多高级认知功能都密切相关, 是人类及其它动物能顺利预测、 组织和计划一系列活动的重要前提时间知觉的神经机制研究已经成为认知神经科学研究的热点大量基于脑功能成像、 脑损伤患者的研究提示, 下丘脑的视 交叉上核、 小脑、 丘脑- 纹状体皮质环路分别参与了不同长短时间的感知过程。

以往, 有些学者试图用起搏累加器 (Pace maker2 Accumulator)模型去解释感知时间的方式该模型认为: 在黑质 - 纹状体 -皮质环路中存在起搏累加器, 起搏器 (位于黑质)有规则地发射出一定频率的脉冲存储到累加器(纹状体 )中, 最后到达皮层作出判断较长的时间即产生较多的脉冲, 较多的脉冲能产生较长时间的感觉, 从而实现了对时间长短的感知[ 2- 3]但最近脑功能成像研究发现, 不同长短的时间感知任务激活的脑区差异很大, 短时间感知任务中, 前额岛盖部、 颞中回、 颞上回以及左小脑半球有更多激活, 而长时间感知任务中, 扣带回 及顶下小叶有更多激活[ 4]对脑损伤患者研究发现, 长、 短时间的感知功能存在解剖结构的分离, 如前额叶损伤患者对长时间的估计能力下降, 而小脑损伤患者以对短时间的感知能力下降为主[5]Le wis等[4]对人类时间知觉的研究也发现, 在时间感知任务中, 有两种计时环路可以被分离: 一种是需要认知的参与,它与基底节以及相关的皮质结构有关 (长的间隔时间 );另一种是毫秒范围内的自动计时系统, 它与小脑有关 (短的瞬时时间 )因此, 不同长、 短的时间加工涉及某些特异性的神经解剖及神经生化机制, 起搏累加器模型难以完全解释时间感知复杂的神经机制。

目前对时间知觉的研究, 普遍接受的是将时间按长 短分为: ¹ 昼夜节律 (Circadian tm i ing)[ 6]:是感知昼夜交替的变化, 它控制睡眠、 觉醒以及代谢和生殖适度等; º 间隔时间感知( Intervaltm i ing): 是对数秒到数分钟的估计, 它与觅食、 做决定以及多步骤算术[ 7]等多种生命活动都有关; » 毫秒时间感知 (Milli 2second tm i ing):即短至毫秒以下的瞬时时间, 对动态的控制、 语言的产生以及音乐和舞蹈都很关键1 昼夜节律感知与视交叉上核哺乳动物通过昼夜节律钟调节代谢和行为节奏, 研究提示,这与下丘脑的视交叉上核 ( suprach iusmatic nucleus , SCN ) 有关[ 8- 9]SCN神经元的生物电产生周期约是 24小时, 能感知昼夜的交替[ 9]临床上可见很多因生物钟紊乱而产生的昼夜节律睡眠疾病, 如入睡困难 (Delayed sleep phase disorder)、 早醒 (Ad2vanced sleep phase disorder)以及乘飞机引起的时差反应( jet lag) 等;而持续性植物状态的患者无意识内容, 对外界刺激无反应,但有睡眠- 觉醒周期。

2 间隔时间感知与皮质纹状体及多巴胺系统人类对时间的感知功能是稳定的[1]经典的测定方法为:使用时间复制任务, 给予被试一段标准时间, 要求他们估计所给 时间的长短(编码阶段), 然后要求他们再去复制那段时间 (复制阶段)典型的结果是, 被试的反应都是围绕着标准的时间长短, 呈一正态分布, 而且反应分布的宽度与标准时间间隔成正相关利用时距复制或时距产生任务对健康受试者的研究, 结果还发现, 人们对同一段时间的感知差异只与内环境的改变有关,如昼夜体温、 褪黑激素水平的变化[10- 11]但临床发现大量的脑损伤患者及精神病患者的间隔时间感知存在障碍对帕金森病 (Parkinsoris disease , PD)[ 12]、 亨廷顿病(Huntingtonps disease , HD)[ 13]等患者的研究发现, 他们对数秒 -数分钟范围内的时间加工有障碍PD病人就是黑质纹状体多 巴胺投射系统的退化, 给予左旋多巴治疗, 他们的时间感知功能好转, 这提示了多巴胺递质通路与时间感知密切相关多巴胺药物选择性地影响人类和动物内在时钟主观上的转动速度: 多巴胺拮抗剂使主观时钟的转速增快, 从而对客观的间隔时间高估;而多巴胺受体激动剂使主观时钟的转速减慢, 从而对间隔时间低估[14]。

HD也是纹状体和大脑皮质受累, 多巴胺通路出现障碍, 是一种常染色体显性遗传的神经变性疾病, 包括尾状核和壳核中间的刺状神经元变性在对给定时间的感知上, 接近 HD发病年龄的人比正常对照组和远离 HD发病年龄 (预测发病会在 12年之后 )的人感知能力都下降, 这进一步支持了多巴胺通路在时间感知过程中的重要作用R ichards[15]曾报道了 1例两侧颞叶中部切除的病人, 术后病人的记忆丧失了当要求病人再现 1到 300 s的持续时间时, 小于 20 s的时间他能准确复制, 但大于 20 s的时间一般都是低估,这提示, 颞叶可能参与了间隔时间的认知加工还有研究提示眶额叶皮质 (orbitofrontalcortex , OFC)也参与了间隔时间的认知加工, 如 Mangels等[5]对前额叶皮质 ( prefrontal cortex , PFC)损伤患者时间知觉的研究发现, 前额叶损伤患者对间隔时间估计能力下降Berlin等[16]进一步对 23例 OFC损伤患者与腹内侧等其它额叶损伤患者分别进行时间复制和产生任务的研究发现,对于同样的时间间隔, 复制任务中, OFC损伤患者通常是高估的, 产生任务中, 他们会低估。

Mahlberg等[17]采用时间复制任务对抑郁症和躁狂症患者的研究发现, 与正常受试者相比, 他们的时间体验和时间评估均发生变化正如患者抑郁发作时有时出现的/度日如年0的感觉,而躁狂发作时有时出现的/时间飞奔0的感觉, 研究发现, 抑郁症患者对长时间能准确复制, 但对短时间高估与之相反, 躁狂症患者能准确复制短时间, 低估长时间这也说明了时间知觉的700Chin JNervMentDis Vo. l 34, No . 11 November 2008差异可能与心境障碍患者脑内某种机制的改变))) 多巴胺功能有关 脑功能成像的研究也促进了对间隔时间知觉脑机制的探讨Fiorillo等[18]研究揭示了皮质纹状体在间隔时间感知中起重要作用, 在时间感知 (长的间隔时间和短的毫秒范围 )任务中,皮质- 纹状体和小脑都被激活, 辅助运动区 (Supp le mentarymotorarea , S MA), 前额叶背外侧部, 前扣带回皮质和右顶叶皮质也有部分激活但纹状体被激活的一个显著特征是:随着所感知时间越长, 它的激活越显著Coull等[19]通过事件相关磁共振成像对时间知觉的研究发现, 对时间和颜色刺激的注意涉及到不同脑区的激活, 结果是, 对颜色注意的增加选择性地增加 V4区的激活, 而对时间注意的增加选择性地增加纹状体皮质网络的激活, 包括前 S MA和右岛盖额部。

这也说明了皮质纹状体在间隔时间感知任务中起了重要作用 3 毫秒时间感知与小脑毫秒时间感知是对持续仅数毫秒的瞬时时间的感知, 它在语言表达、 节奏的感知以及协调运动等方面有重要作用大量研究提示, 小脑是毫秒时间知觉加工过程中的一个重要脑区, 新小脑损伤患者对毫秒时间及长的间隔时间的感知都有损伤[5],但可能更多地参与了对毫秒时间的感知与基底节区损伤的患者相比较, 有研究表明小脑损害的病人保留有准确估计时间的特性 Ivry等[ 20]的研究发现, 小脑在以事件为基础的时间感知上有特定的作用, 小脑损害可增加运动和时间感知的差异脑功能成像研究发现, 小脑在处理时间感知任务中, 主要激活了小脑上半月小叶 ( superior se m ilunar lobule)[21]Coull[22]的研究发现, 与长的时间感知任务相比, 当感知短的瞬时时间时, 小脑有更显著激活Koch等[23]通过重复经颅磁刺激, 对不同长短时间进行时间复制任务研究, 结果也发现, 小脑在短的毫秒范围内的时间感知过程中起重要作用因此大量的神经影像学的证据一致提示, 小脑虽然不是对长时间感知必须的结构, 但参与了毫秒范围的时间感知, 且尤为重要[ 24], 这也支持了纹状体和小脑分别涉及时间知觉的不同方面[4]。

4 结论时间感知是人类和各种动物生存的基本认知功能之一, 而时间感知障碍是神经精神科临床上较常见的高级认知功能障碍从长至 24 h的昼夜节律到短至数毫秒的瞬时时间, 不同长短的时间可能各依赖于特异性的神经生物学机制大量的研究提示, 昼夜节律的生物钟与下丘脑的视交叉上核有关; 对毫秒范围内的时间感知可能与小脑有关;对数秒到数分钟的时间感知,可能与丘脑- 纹状体皮质环路有关, 基底节、 S MA和 PFC等脑区可能尤为重要但这些众多的脑区是如何选择性地参与和识别各种复杂的时间知觉任务的, 尚有待于进一步研究有关时间知觉神经机制的研究对正确认识和评价大量的脑损伤患者及情感性精神障碍患者存在的时间感知功能下降亦有重要的现实 意义参考文献[ 1] MeckWH. Neuropsychology of ti m ing and ti me perception [ J].Bra in Cogn , 2005 ,58(1): 1- 8.[ 2] Crystal JD , Baram idze GT. Endogenous oscillations in short2inter 2val ti ming[ J]. Behav Processes , 2007 , 74(2): 152- 158.[ 3] MeckWH. Neurophar macology ofti ming and ti me perception[J].Bra in Res Cogn Bra in Res , 1996, 3( 3- 4): 227- 242.[ 4] Lewis PA , M iallRC. Brain activation patterns duringmeasurementof sub2and supra2second intervals[ J]. Neuropsychologia ,2003 ,41(12): 1583- 1592.[5] Mangels JA, IvryRB, Shi m izu N . Dissociable contributions of theprefrontal and neocerebellar cortex to ti me perception[ J].BrainRes Cogn Brain Res , 1998 , 7(1): 15- 39 .[6] Czeisler CA, Duff y JF, Shanahan TL ,et a. l Stability , precision ,and near2242hour period of the human circadian pace maker[ J].Science, 1999 , 284(5423): 217。