Группа физиков и нейрофизиологов из Института медицинской психологии при Университете Киля (Германия) обнаружила ключевые отличия в паттернах мозговой активности между состояниями сознательного бодрствования и при вызванном наркозом сне. Также ученым удалось построить математическую модель изменений мозговой активности при динамическом переходе из одного функционального состояния нервной системы в другое и вычислить критическую точку, при которой сознание может поддерживаться. Работа опубликована в The Journal of the Royal Society Interface.
Исследователи отобрали для эксперимента 20 испытуемых, однако затем восемь из них были по разным причинам отсеяны. Двенадцати оставшимся участникам эксперимента в ходе опытов ученые вводили внутривенно сильное снотворное средство — пропофол, часто используемое в хирургии для формирования и поддержания наркоза. Параллельно, посредством функциональной магнитно-резонансной томографии записывалась активность головного мозга. Такая схема позволила отследить в динамике изменения паттернов активности центральной нервной системы при переходе от сознательного бодрствования к седации, легкой дремоте и глубокому, вызванному наркозом сну, а затем обратно к состоянию бодрствования.
Изощренный многоуровневый математический анализ полученных данных (в том числе с использованием вейвлетов) показал, что в состоянии сознательного бодрствования активность мозга гораздо более сложная и насыщенная. Она характеризуется двумя ключевыми моментами. Во-первых, активность нейронов можно представить как последовательность связанных, относительно стабильных и коррелирующих друг с другом периодов возбуждения. Иными словами, при воздействии какого-либо внешнего стимула, активизируются разные зоны мозга, затем их возбуждение интегрируется в других зонах. Новый стимул в поле внимания испытуемого вновь запускает этот каскад активности. И так снова и снова. Таким образом, мозг как бы формирует единичные моменты в постоянном «потоке сознания».
Второй особенностью стала уже не временная, а пространственная корреляция возбуждения. Нашу нервную систему можно представить как множество взаимосвязанных нейронных ансамблей, расположенных в анатомически удаленных друг от друга отделах мозга. При сознательном бодрствовании в каждый момент времени наблюдается активизация и взаимодействие множества таких ансамблей, скоординированная работа различных участков коры и подкорковых ядер головного мозга. Говоря иначе, сознание максимально использует все структуры мозга, объединяя их в единую связанную систему.
В то же время, при вызванном наркозом сне снижается как возбудимость мозга от внешних стимулов — мозг продолжает получать информацию от органов чувств, но она уже не вызывает каскада изменений в его активности. Или, если быть точнее, стимул изменяет активность мозга, но ненадолго, она быстро вновь возвращается в некое стабильное пониженное состояние. В условиях наркоза мозг также не задействует все многообразие связей между нейронами, нейронными ансамблями и нервными центрами. Наоборот, активность нервной системы наблюдается только в некоторых, жестких и неизменных, как накатанная колея, проводящих путях. Паттерны активности становятся менее выраженными, стабильными и стереотипными.
По мнению ученых, сознание возникает в определенной критической точке — диапазоне активности, при которой она еще не захватывает весь мозг целиком, но достигает некоего предела сложности, момента «сбалансированного хаоса», когда ресурсы нервной системы задействованы максимально, но все еще скоординированы. Вероятно, преодоление этого диапазона по верхней границе может вести к психотическим симптомам, а по нижней, как показали исследователи, — к потере сознания.
Даниил Кузнецов
