Каждый раз, когда я принимаю душ, мою посуду или иду куда-то пешком, то мозг пассивно прокручивает различные сценарии. Это совершенно нормально, представлять себя на поверхности Юпитера или прогонять раз за разом сценарии «ух, как бы я тогда ответил ему в разговоре!». Более того, такое предиктивное мышление – база для выживания. Наш мозг постоянно работает над составлением прогнозов относительно того, что происходит вокруг нас, чтобы учитывать возможные неожиданности. Однако, в чем природа такой связи?

Еще не так давно наш мозг сравнивался с компьютером, а работа сознания метафорически описывалась как работа операционной системы. Также, есть теория, что наше сознание – это побочный продукт работы мозга, как рёв двигателя. Однако, наше сознание куда ближе к звучанию симфонии. И ключевой его фактор – синхронизация всех музыкантов, они же нейроны мозга, для единой и стройной композиции. Про струны, обслуживание музыкальных инструментов и техники игры на нейронах – рассказывают материалы нашего сообщества. Подпишитесь, чтобы не пропустить свежие статьи!

Наркоз и природа сознания

Новое исследование проливает свет на то, как возникает сознание в режиме бодрствования, и что именно происходит в мозге при изменении и исчезновении сознания, в частности, когда человек оказывается под общим наркозом.

Результаты исследования подтвердили идею о том, что феномен сознания порождён синхронизированной коммуникацией, которая протекает в определенном ритме мозга в определенных частотных диапазонах, между базовыми сенсорными и когнитивными областями мозга более высокого порядка.

Ранее члены исследовательской группы Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте и Университета Вандербильта описали, как такие ритмы позволяют мозгу оставаться готовым реагировать на окружающие факторы.

Работа мозга с непредсказуемыми событиями

Когда сенсорные области обнаруживают неожиданный фактор, например вой пожарной сигнализации, они используют более быстрые гамма-ритмы, чтобы сообщить об угрозе высшим когнитивным областям. А когнитивные области обрабатывают эту информацию на гамма-частотах, чтобы решить, что предпринять. Например, двигаться к выходу из здания.

Новые результаты, опубликованные 7 октября в Трудах Национальной академии наук, показывают, что, когда животные находились под общим наркозом, вызванным пропофолом, сенсорная область сохраняла способность обнаруживать неожиданные раздражители, но связь с более высокой когнитивной областью в передней части мозга была утрачена. Разрыв связи делал эту область неспособной участвовать в обратной регуляции сенсорной области. Из-за чего животное было невосприимчиво как к простым, так и к более сложным неожиданным факторам.

То, что мы здесь делаем, говорит о природе сознания. Общая анестезия пропофолом дезактивирует связь между процессами, которые лежат в основе познания. По сути, вещество отключает связь между передней и задней частями мозга.

Эрл К. Миллер, профессор Института Пикауэра, соавтор исследования.

Соавтор исследования Андре Бастос, доцент кафедры психологии в Университете Вандербильта и бывший сотрудник лаборатории Миллера в Массачусетском технологическом институте, добавил, что результаты исследования подчеркивают ключевую роль лобных областей в формировании и поддержке работы чистого сознания.

Полученные результаты особенно важны, учитывая новый научный интерес к механизмам сознания и тому, как сознание связано со способностью мозга формировать прогнозы.

Соавтор исследования Андре Бастос

Работа мозга и способность к предикции

Способность мозга к прогнозированию само собой меняется во время анестезии. Интересно, что активнее всего подавлялась передняя часть мозга, а именно области, связанные с познанием. В свою очередь, сенсорные области куда эффективнее сопротивлялись наркозу.

Это говорит о том, что префронтальные области помогают инициировать событие, которое трансформирует сенсорную информацию в сознательную. Активация сенсорной коры сама по себе не приводит к сознательному восприятию. Эти наблюдения помогают нам сузить круг потенциально рабочих моделей механизмов сознания. В бодрствующем мозге мозговые волны дают нейронам короткие промежутки времени для оптимальной активации. Задают, так сказать, «частоту обновления» мозга». Эта частота обновления помогает организовать различные области мозга для эффективной коммуникации.

Ихань Софи Сюн, аспирант в лаборатории Бастоса, руководитель исследования.

Анестезия замедляет частоту связи, что сужает временные окна для коммуникации областей мозга, из-за чего коммуникация становится менее эффективной. Дезорганизация между нейронами растет. А способность прогнозировать поведение ослабевает.

Отклонения в паттернах

Для проведения исследования нейробиологи измерили электрические сигналы, они же «всплески», сотен отдельных нейронов, а также проследили скоординированные ритмы их совокупной активности на альфа/бета и гамма частотах. Активность отслеживалась в двух областях коры головного мозга животных, когда те прослушивали конкретные последовательности тонов.

Иногда последовательности звучали с использованием все одной и той же ноты и общая картина выглядела как «AAAAA». Иногда исследовали задавали фактор случайности или «локальной странности», например, AAAAB. Но иногда случайность носила более сложный или «глобально странный» характер. Например, после серии паттернов AAAAB, внезапно шел паттерн AAAAA, что нарушало глобальный, но не локальный шаблон.

Предыдущие исследования предполагали, что сенсорная область, в данном случае височно-теменная область, или Tpt, может самостоятельно определять локальные странности. Обнаружение более сложных глобальных изменений требует участия области более высокого порядка, в данном случае за это отвечала область FEF.

Углубляясь в природу сознания

Животные слышали последовательности тонов как во время бодрствования, так и под анестезией пропофолом. Никаких сюрпризов или отклонений от нормы в состоянии бодрствования не было. Исследователи подтвердили, что нисходящие альфа/бета-ритмы от FEF передавали паттерн прогноза в Tpt, и как результат Tpt увеличивал активность на уровне гамма-ритмов при появлении необычного сигнала, заставляя FEF, и префронтальную кору, также реагировать всплесками гамма-активности.

Таким образом, наши результаты указывают на важную роль активации префронтальной коры в дополнение к активации сенсорной коры для сознательного восприятия.

Из материалов исследования.

Однако с помощью ряда измерений и анализов ученые смогли увидеть, что эта динамика нарушается после того, как животные теряют состояние объективного сознания. При приеме того же пропофола спайковая активность в целом снизилась, но когда появлялся локально необычный стимул, спайки Tpt соразмерно увеличили активность, но спайки FEF не поддержали эту активность, как это происходит во время бодрствования.

Между тем, когда во время бодрствования возникал глобальный странный объект, исследователи могли использовать программное обеспечение для «декодирования» его образа среди нейронов в FEF и префронтальной коре, еще одной области, ориентированной на когнитивное познание мира.

Они также могли декодировать локальные изменения в Tpt. Но под анестезией декодер не мог надежно распознавать локальные или глобальные отклонения в FEF или префронтальной коре.

Более того, когда ученые сравнили ритмы в состоянии бодрствования и бессознательном состоянии, они обнаружили резкие различия. Когда животные бодрствовали, то на аномальный локальный раздражитель увеличивалась гамма-активность как в Tpt, так и в FEF, а альфа/бета-ритмы уменьшались. Стабильная стимуляция увеличивала альфа/бета ритмы. Но когда животные теряли сознание, увеличение гамма ритмов от локального раздражителя было даже больше в Tpt, чем когда животное бодрствовало.

В целом, данные исследования свидетельствуют о том, что наше сознание не является продуктом какой-то особой части мозга, а рождается в процессе коммуникации между совершенно разными участками коры головного мозга, от передней до задней части.

Больше материалов про мозг, природу сознания и возможности работы с нейронными связями рассказывают материалы нашего сообщества. Подписывайтесь, чтобы не пропускать свежие статьи!