Как разные виды животных чувствуют время и почему теория «частоты кадров» оказалась ошибкой

Команда когнитивных ученых из Университета Сассекса и Лондонской школы экономики представила принципиально новый подход к изучению того, как животные воспринимают время. В статье, опубликованной в научном журнале Trends in Cognitive Sciences, исследователи доказали несостоятельность классической теории, согласно которой скорость течения субъективного времени напрямую зависит от физиологической скорости работы глаз. Авторы предложили заменить одномерную шкалу измерения времени системой из пяти частично независимых когнитивных параметров — «временных окон». Этот метод впервые позволяет составить детальный профиль субъективного времени для любого биологического вида.

Суть открытия заключается в преодолении давнего научного заблуждения. В течение десятилетий биологи измеряли скорость восприятия времени у животных с помощью критической частоты слияния мельканий (КЧСМ) — максимальной частоты вспышек света, которую сетчатка глаза способна зафиксировать до того, как они сольются в непрерывный свет. Из-за этого в литературе закрепилось представление, будто мелкие животные воспринимают мир в замедленном темпе, а более медленные организмы — в режиме череды статичных кадров. Исследователи опровергли эту концепцию, показав, что обработка времени мозгом — это многоступенчатый процесс, который нельзя измерить только скоростью работы рецепторов сетчатки.

Крах одномерной шкалы: почему сетчатка не определяет мышление

До сих пор критическая частота слияния мельканий использовалась как универсальный маркер скорости восприятия. У человека этот порог составляет около 60 герц, у глубоководных ракообразных — 4 герца, а у некоторых насекомых превышает 500 герц.

Однако авторы новой работы указывают на логическую ошибку: КЧСМ измеряет исключительно чувствительность фоторецепторов сетчатки глаза к изменению освещенности. Проецировать скорость работы периферического сенсорного органа на скорость интеграции информации в сознании неверно. Зрительные системы способны временно увеличивать частоту обработки данных — например, комнатная муха повышает ее почти до 970 герц непосредственно во время быстрых поворотов, однако это обусловлено требованиями моторной стабилизации, а не ускорением когнитивных процессов в головном мозге.

Субъективное время формируется на более высоких уровнях нервной системы и зависит от сложного взаимодействия нескольких когнитивных механизмов. Органы чувств лишь поставляют первичный материал, который затем обрабатывается, группируется и интерпретируется центральной нервной системой.

Пять окон временного ландшафта: как мозг собирает реальность

Вместо плоской шкалы «быстрее-медленнее» исследователи предложили систему из пяти когнитивных окон, через которые мозг каждого вида группирует и анализирует поступающую информацию.

1. Окно синхронизации сенсорных сигналов

Этот параметр определяет временной интервал, в пределах которого мозг объединяет разнородные сенсорные сигналы в единое событие. Звуки, зрительные образы и тактильные ощущения от одного и того же физического источника обрабатываются нервной системой с разной скоростью, но воспринимаются как одновременные, если укладываются в рамки этого окна.

У людей это окно наглядно демонстрирует тест на задержку вспышки, когда быстро движущийся объект кажется опережающим неподвижную вспышку, хотя физически они выровнены. Человеку требуется около 30-50 миллисекунд на синхронизацию движения и вспышки, макакам — от 20 до 30 миллисекунд.

Аналогичные механизмы лежат в основе восприятия брачных сигналов. При ухаживании самец павлина вибрирует перьями надхвостья с частотой около 25 герц. Разные участки узора колеблются с неодинаковой скоростью. Поскольку мозг самки обрабатывает быстрые и медленные изменения с разной задержкой, у нее возникает пространственная иллюзия, при которой одни элементы узора кажутся отделенными от фона и парящими в воздухе.

2. Окно ревизии (постдикция)

Процесс восприятия устроен так, что мозг не мгновенно осознает происходящее. Вместо этого он собирает данные за короткий интервал времени и только после этого формирует окончательную картину. Это означает, что событие, произошедшее позже, может изменить восприятие того, что случилось до него. Этот механизм называют постдикцией.

Проверить работу окна ревизии можно с помощью теста на непрерывность звука. Если чистый звуковой сигнал на короткое время прервать шумом, человек не услышит паузы: мозг ретроспективно заполнит этот промежуток звуком.

У людей это окно ревизии длится от 80 до 150 миллисекунд. У европейских скворцов и сусликов Ричардсона оно значительно уже — 50 и 25 миллисекунд соответственно. Эти животные не способны ретроспективно восстанавливать прерванные звуковые сигналы на более длинных интервалах. У мышей, напротив, окно визуальной ревизии при восприятии движения шире человеческого и составляет 250-430 миллисекунд, что позволяет их мозгу дольше анализировать траекторию объекта перед принятием решения.

3. Длительность сохранения сенсорного следа (персистенция)

Этот параметр определяет, как долго информация удерживается в структурах кратковременной памяти после того, как физический стимул прекратил свое действие.

Для измерения персистенции используется тест на «слепоту к изменениям». Испытуемому поочередно показывают два изображения с одним скрытым отличием, разделяя их коротким пустым экраном. Если пауза длится дольше, чем сохраняется сенсорный след в памяти, человек не замечает разницы между картинками.

Для людей критический интервал этой паузы составляет 80-150 миллисекунд. У голубей сенсорный след угасает почти мгновенно: им достаточно паузы всего в 7 миллисекунд, чтобы полностью потерять детали предыдущего изображения. Их мозг быстро фиксирует информацию, но не хранит ее первичную копию в кратковременной памяти дольше этого срока.

4. Циклы внимания

Мозг не может обрабатывать информацию непрерывным потоком, внимание работает циклически. Этот феномен исследуют с помощью теста на «мигание внимания». Если быстро показывать человеку последовательность букв или цифр, то после успешного обнаружения первого целевого объекта мозг на некоторое время теряет способность фиксировать второй объект, если тот появляется слишком быстро.

У людей этот период временной нечувствительности к новым стимулам длится от 200 до 500 миллисекунд. У макак, чей глаз физиологически способен фиксировать более быстрые изменения света (КЧСМ составляет 95 герц против 60 герц у человека), когнитивное окно «мигания внимания» оказывается длиннее человеческого — от 300 до 700 миллисекунд. Это доказывает, что центральные когнитивные процессы перераспределения внимания требуют больше времени и не зависят напрямую от скорости работы органов чувств.

В естественной среде аналогичные механизмы внимания используют самцы некоторых видов лягушек и сверчков. Чтобы привлечь самок, они издают синхронные звуки, стараясь начать свой призыв чуть раньше соперников. Таким образом они попадают в окно сниженной чувствительности внимания конкурирующих самцов, блокируя восприятие их сигналов в слуховой системе самок.

5. Стабильность восприятия при двусмысленности

Когда когнитивная система сталкивается со стимулом, который может иметь два разных значения, мозг поочередно переключается между ними. Время, в течение которого удерживается одна интерпретация, отражает стабильность работы восприятия.

У людей период удержания одного образа составляет около 3-5 секунд. В экспериментах с мушками дрозофилами ученые обнаружили, что у насекомых этот интервал стабильности восприятия может длиться от 2 до 20 секунд. Несмотря на высокую скорость реакций и высокую частоту слияния мельканий на уровне сетчатки, когнитивная система насекомого способна удерживать выбранное решение в течение длительного времени, не переключаясь на альтернативные варианты.

Практическое применение: от ветрогенераторов до освещения ферм

Разработка детальных профилей восприятия времени у разных видов животных важна для решения ряда практических задач в сфере инженерии, сельского хозяйства и экологии.

Предотвращение гибели птиц на ветровых электростанциях

Лопасти ветрогенераторов при вращении создают зону размытия, которую птицы часто не воспринимают как физическое препятствие. Изучение точных параметров окна синхронизации у конкретных видов птиц позволяет инженерам рассчитать скорость вращения лопастей или разработать контрастные схемы их окраски так, чтобы они оставались видимыми для пернатых во время полета.

Разработка эффективных систем отпугивания животных

Акустические и световые барьеры, установленные вдоль железнодорожных путей для предотвращения столкновений с дикими животными, со временем теряют свою эффективность. Животные привыкают к однообразным сигналам. Знание циклов внимания и порогов персистенции конкретных видов позволяет создавать приборы с динамически меняющейся частотой сигналов, которые мозг животного не сможет игнорировать.

Проектирование освещения в местах содержания животных

Искусственные источники света в зоопарках, ветеринарных клиниках и на животноводческих фермах часто проектируются по стандартам, разработанным для людей. Однако лампы, излучающие ровный свет для человека, для птиц или грызунов могут мерцать из-за их высокой чувствительности к КЧСМ. Это мерцание вызывает постоянное раздражение зрительной системы и приводит к хроническому стрессу. Настройка частоты работы осветительных приборов под параметры восприятия конкретных видов помогает исключить этот негативный фактор.

Новая координатная сетка для сравнительной биологии

Предложенная когнитивными учеными пятимерная модель показывает, что субъективное время животных нельзя измерить с помощью одного физиологического параметра. Восприятие времени — это результат совместной работы разных систем мозга, каждая из которых решает свою задачу: от первичного объединения сигналов от разных органов чувств до удержания внимания на выбранной цели.

Отказ от упрощенных представлений о «скорости жизни» животных позволяет когнитивной науке перейти к более строгим и объективным исследованиям структуры их опыта. Изучение взаимодействия этих пяти временных окон открывает путь к созданию сравнительной таксономии восприятия, которая поможет точнее понять устройство сознания различных видов на нашей планете.

Источник: Trends in Cognitive Sciences