Ученым впервые удалось изучить, как ведут себя нейроны мозга в бессознательном состоянии

Когда вы бодрствуете, ваши нейроны «разговаривают» друг с другом при помощи электрических сигналов. Частота этих сигналов одинакова. Одна группа нейронов может работать синхронно на частоте 10 Гц, другая — на частоте 30 Гц. Когда вы находитесь под наркозом, вся эта система теряет свою сложность и генерирует своего рода равномерный низкочастотный «гул».

Мониторинг процесса наркоза может сделать хирургию более безопасной, но большинство анестезиологов не используют ЭЭГ. Эмери Браун — профессор нейробиологии в Массачусетском технологическом институте, а также процессор анестезии в Гарвардской медицинской школе. Он же — практикующий анестезиолог, и его беспокоит отсутствие контроля за работой мозга во время наркоза. «Большинство анестезиологов не думают об этом с точки зрения нейробиологии», — говорит он. Браун в течение десяти лет изучает, что происходит с мозгом, когда его «хозяин» находится без сознания. Зачем? Для получения данных о том, как работают разные анестетики, а также о том, что происходит с нейронами. Желание профессора — получить столько информации, чтобы можно было сказать о мозге под наркозом: «Вот, что здесь происходит. Это не черный ящик».

«Как только вы поймете, как читать паттерны, поймете нейрофизиологические процессы, которые стоят за ними, вы сможете оптимально дозировать лекарства», — говорит Браун.

В исследовании, опубликованном в апреле в онлайн-издании eLife, команда профессора описала использование электродов для изучения нейронов, которые находятся глубоко в мозге обезьян под наркозом. Эта работа впервые показала, как отдельные нейроны в разных областях мозга реагируют на седативные препараты: их активность снижается на 90-95%. Более того, изучая работу нейронов в разных «режимах» деятельности мозга, команда лучше стала понимать, как сознание исчезает под действием наркоза, и как оно проявляется снова.

Любая мысль, которая появляется в вашем мозге, в буквальном смысле проходит через него. Это происходит за счет цепочек из миллионов нейронов, которые связываются друг с другом. «Мозг — отличная ритм-машина», — говорит Эрл К. Миллер, профессор нейробиологии из MIT. Профессор работал вместе с Брауном в ходе реализации описываемого исследования. «Мысль запускает работу нейронов на всех частотах, от 1 Гц до 100 Гц и более», — говорит он. ЭЭГ, то есть энцефалограмма, показывает перекрестную связь нейронов, коллективно запускающих волны электрических сигналов в самых разных областях мозга, включая его кору, которая обычно рассматривается как центр управления.

В ходе этого процесса, «диалога» между нейронами и проявляется сознание. «Зрительные образы, звуки, ощущения — все это единое целое, благодаря чему мы получаем единый опыт того, что мы делаем, как чувствуем, о чем думаем в определенный момент», — говорит Миллер. Это, по его словам, и является сознанием. Точный процесс того, как активность нейронов приводит к индивидуальным восприятию и мышлению, пока до конца не изучен. Но один из методов изучения — наблюдать, что происходит с нейронами, когда они «выключаются».

Наркоз отключает нейроны. Пропофол, распространенный анестетик, который использовался в исследовании, взаимодействует с белками, которые называются рецепторами ГАМК. В итоге клетки почти теряют возможность обмениваться электрическими сигналами.

На ранних стадиях исследованиях ученые изучали мозг грызунов и ЭЭГ людей. Оказалось, что пропофол нарушает нейронные связи в коре головного мозга. Но этого авторам проекта было недостаточно. Браун и Миллер решили вести мониторинг активности разных областей мозга, включая «отключение» сознания и «включение». Для этого стали использовать имплантированные электроды, чтобы понять, как отдельные нейроны меняют свою активность. В новом исследовании ученые имплантировали 64-канальные микроэлектроды четырем макакам-резус. Их установили в трех областях коры и таламусе. Первые три области — лобная, височная и теменная. Они связаны с мышлением, слухом и осязанием.

После того, как электроды были установлены, ученые ввели макакам пропофол, а затем наблюдали, как те засыпают под воздействием наркоза. Активность нейронов снизилась примерно в 10 раз. Если большинство нейронов до этого передавали сигналы с частотой 10 Гц, то после наркоза частота снизилась до 1 Гц. Такая ситуация наблюдалась практически во всех точках.

По словам ученых, в период активности (включая сон) мозговые волны гораздо более хаотичны, чем во время наркоза. В пассивном состоянии деятельность нейронов можно сравнить с равномерным «гулом», как если бы в большой столовой, полной детей, они прекратили общаться в группах и стали бы просто однообразно бормотать. Один из исследователей сравнил пропофол еще и с кувалдой, которая «вырубает мозг, переводя его в низкочастотный режим».

Выше говорилось о трех областях мозга. Что касается таламуса, четвертой области, куда были введены электроды, то Миллер и Браун считали, что он особенно важен в плане восстановления сознания. Согласно одной из теорий, он синхронизирует различные ритмы коры головного мозга. Если таламус не работает или работает неправильно, мозг «рассинхронизируется» и связных мыслей уже нет. Ученые решили искусственно простимулировать таламус во время наркоза макак, чтобы проверить, вернутся ли признаки сознательной активности.

Началась вторая серия экспериментов. Таламус стимулировали при помощи слабых электрических сигналов, сравнимых с тем, что люди получают при лечении болезни Паркинсона с помощью глубокой стимуляции мозга. Это безболезненно. Сразу же после начала стимуляции обезьяны стали моргать. Их сердцебиение участилось, а конечности — задвигались. Нейроны в некоторых частях мозга повысили активность работы с 1 до 3 импульсов в секунду. В целом, это состояние было близким к состоянию, когда животные находились в сознании, хотя они все еще находились под действием сильного анестетика. После прекращения стимуляции активность исчезла — правда, не сразу, а через несколько минут. Ученые заключили, что им удалось частично восстановить сознание животных.

В целом, Миллер и Браун ставят своей целью не изучение сознания и его нюансов. Их задача более проста — сделать анестезию более безопасной, позволив анестезиологам, которые используют ЭЭГ, более точно контролировать дозировку лекарств для пациентов. Возможно, в будущем удастся применять электрическую стимуляцию таламуса для активизации сознания людей во время операций — для пациентов с серьезными травмами мозга или впавшими в кому.

Миллер также надеется, что результаты исследования помогут раскрыть одну из самых больших загадок нейробиологии: как наш мозг и сложные взаимодействия между нейронами позволяют обрести сознание.