Come fa il tuo cervello a dire il tempo?

Dalle meridiane e orologi acquatici degli antichi egizi, attraverso i primi cronometri marini, agli orologi atomici dei giorni nostri, gli umani hanno intrapreso una ricerca per misurare il tempo con sempre maggiore accuratezza. Questa ricerca ha rivoluzionato l'esplorazione marittima, ha ancorato la rivoluzione industriale e ha permesso la nostra attuale capacità di localizzare esattamente noi stessi (e i nostri smartphone perduti) nello spazio. Nel mondo moderno registriamo regolarmente il tempo su scale oltre quindici ordini di grandezza: dalla precisione di nanosecondo richiesta per il GPS, al monitoraggio del nostro viaggio annuale intorno al sole. E tra questi due estremi misuriamo i minuti e le ore che governano le nostre attività quotidiane. Sorprendentemente, possiamo usare lo stesso dispositivo per misurare il tempo attraverso questo spettro temporale completo: gli orologi atomici sono usati per temporizzare sia i ritardi al nanosecondo nell'arrivo di segnali provenienti da diversi satelliti, sia per fare aggiustamenti all'anno solare. Questo orologio che si adatta a tutte le strategie è l'esatto opposto della soluzione ideata dalla natura per risolvere il problema del tempo.

Ogni volta che giri la testa verso un'auto che stride, in realtà stai dicendo il tempo. Il tuo sistema uditivo monitorava il fatto che il suono arrivava a un orecchio di un centinaio di microsecondi prima dell'altra e utilizzava queste informazioni per calcolare da dove provenisse il suono. Sulla scala molto più lunga di ore e giorni, il nostro orologio circadiano anticipa l'alba e il tramonto e fa una vasta gamma di aggiustamenti ormonali e fisiologici per prepararci a dormire. Nell'intervallo intermedio, sulla scala di millisecondi e secondi, la capacità del cervello di distinguere il tempo è ugualmente o più importante. La parola e la musica non esisterebbero se non potessimo misurare le informazioni contenute nelle sillabe, nelle parole e nelle note di durata, o nelle pause tra di esse. E, su una scala leggermente più lunga, il nostro senso soggettivo del tempo ci dice quando la luce rossa diventerà verde.

Ma come dice il tempo al cervello? Anche se non conosciamo ancora la risposta completa a questa domanda, sappiamo che non esiste una risposta unica.

L'orologio circadiano è probabilmente il più comprensibile per i custodi del tempo del cervello. E a dire il vero, gli organismi non hanno nemmeno bisogno di un cervello per anticipare i ritmi quotidiani della terra. Umani, moscerini della frutta, piante e persino alcuni batteri hanno ritmi circadiani. Potresti chiedertelo, perché un batterio dovrebbe preoccuparsi dell'ora del giorno? È interessante notare che la prima forza che guidava l'evoluzione degli orologi circadiani era probabilmente l'effetto dannoso della radiazione solare sul DNA. La radiazione ultravioletta causa mutazioni durante la replicazione del DNA. Gli organismi unicellulari, privi di un organo protettivo come la pelle, sono particolarmente vulnerabili agli errori di replicazione indotti dalla luce. Pertanto, la divisione di notte forniva un mezzo per aumentare il successo riproduttivo. Sia negli esseri umani, piante o batteri, l'orologio circadiano si basa su un ciclo di feedback biochimico. Il DNA sintetizza le proteine ​​attraverso la trascrizione, quando questa proteina raggiunge una concentrazione critica inibisce la trascrizione del DNA che era responsabile della sua sintesi per cominciare; e quando la proteina si degrada, la trascrizione del DNA e la sintesi della proteina ricominciano. Non a caso, questo ciclo richiede circa 24 ore. I dettagli dei geni e delle proteine ​​coinvolti nell'orologio circadiano variano da organismo a organismo, ma la strategia generale è la stessa.

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Sappiamo molto meno su come il cervello misura le differenze nella pausa tra le parole "no cani, per favore" e "nessun cane per favore". O come il cervello anticipa il prossimo anello di un telefono che squilla? Tuttavia è sempre più chiaro che la risposta avrà poca somiglianza con un orologio reale.

Tutti gli orologi moderni funzionano su due semplici componenti: un oscillatore e un contatore. L'oscillatore, come il pendolo di un orologio a pendolo o le vibrazioni elettromeccaniche di un cristallo di quarzo di un orologio digitale, si scosta a un ritmo costante. Il contatore tiene semplicemente traccia del numero totale di tic dell'oscillatore. Ma ci sono molti modi per dire al tempo che non richiedono oscillatori e contatori. Considera le increspature create da due gocce di pioggia che cadono in uno stagno. Ciascuno crea anelli concentrici in espansione, e se ti è stata mostrata un'immagine di due increspature, potresti dire quale goccia di pioggia cadde per prima, e se eri così inclinato potresti calcolare l'intervallo tra le due gocce. Ci sono ora prove significative che allo stesso modo i modelli delle increspature su uno stagno possono essere usati per indicare il tempo, che il cervello usa modelli mutevoli di attività neurale per indicare il tempo ¹ . Per capire come potrebbe funzionare immagina di guardare le finestre di un grattacielo di notte, e per ciascuna finestra puoi vedere se la luce nella stanza è accesa o spenta. Ora supponiamo che per qualche motivo lo stesso schema si ripeta ogni giorno. In una finestra, la luce si accende immediatamente al tramonto, in un'altra un'ora dopo il tramonto, in un'altra la luce si accende al tramonto e si spegne dopo un'ora e poi di nuovo in 3 ore. Se ci fossero 100 finestre, potremmo scrivere una stringa di cifre binarie che rappresenta lo "stato" dell'edificio in ogni punto nel tempo 1 0 1 … al tramonto, 1 1 0 … un'ora dopo il tramonto, e così via – ogni cifra che rappresenta se la luce in una determinata finestra era accesa o spenta. Anche se l'edificio non è stato progettato per essere un orologio, puoi vedere che potremmo usarlo per indicare il tempo secondo il modello di luci nelle finestre. In questa analogia, ogni finestra è un neurone che potrebbe essere "acceso" (potenziale d'azione di fuoco) o "spento" (silenzioso). La chiave per far funzionare questo sistema è che il modello deve essere riproducibile. Un certo numero di studi ha registrato da gruppi di neuroni mentre gli animali stavano eseguendo un compito, e ha dimostrato che il modello mutevole di neuroni attivi poteva essere usato per indicare il tempo nel corso di secondi.

Come conseguenza del processo di progettazione intrinsecamente non sistematico dell'evoluzione, abbiamo un amalgama di diversi meccanismi biologici di controllo del tempo all'interno del nostro cervello. E ogni volta che il custode è specializzato in una scala temporale molto specifica. In altre parole, il tuo orologio circadiano non ha una lancetta dei secondi, e i meccanismi che il tuo cervello usa per dirti quando la luce rossa sta per cambiare non ha una lancetta delle ore.

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