Текст книги "Один день из жизни мозга. Нейробиология сознания от рассвета до заката"

Существует также альтернативная интерпретация этих данных, заключающаяся в том, что решающим фактором может быть не само время, а конечное состояние, для достижения которого оно потребовалось. Не исключено, что это создание подходящего «окна», дающего возможность для «повторного входа» сигнала, своего рода продолжение реверберации «входа» и «выхода» между конкретными участками мозга.[34]34
  Edelman, G. М. The Remembered Present: A Biological Theory of Consciousness. (Basic Books, 1989).


[Закрыть] Важным нюансом этой теории является то, что ни в коем случае не следует путать «повторный вход» с простой обратной связью, в результате чего некоторое существующее состояние может быть модифицировано в результате первоначального воздействия.

Обезьяны, по-видимому, реагируют на экспериментальные изображения, только когда их мозговые волны формируют характерный паттерн, который отражает тип нейрональной самонастройки,[35]35
  Rossi, A. R, Desimone, R.&Ungerleider, L G. «Contextual modulation in primary visual cortex of macaques». Journal of Neiroscience, 21, 1698–709 (2001).


[Закрыть] что также происходит и у людей. Это предположение кажется правдоподобным. Впрочем, оно мало говорит нам о том, почему «повторный вход», накопление итераций между двумя областями мозга, имеет такое большое значение.

Давайте снова изменим тактику. В поисках убедительной связи между сознанием и определенными свойствами мозга мы также можем двигаться в противоположном направлении, фокусируясь не на связях между областями мозга, а на его самых маленьких функциональных элементах – отдельных клетках. В рамках такого подхода мы можем отслеживать функционирование отдельных нейронов у людей, перенесших операцию на головном мозге. Благодаря отсутствию в мозге болевых рецепторов, с середины двадцатого века стало возможным пребывание пациента в сознании во время операций на головном мозге.[36]36
  Todman, D., Wilder Penfield (1891–1976)". Journal of Neurology, 255, 1104–5 (2008).


[Закрыть] Канадский хирург Уайлдер Пенфилд, который в свое время прооперировал более пятисот пациентов, смог, в частности, стимулировать открытую поверхность височной доли пациента с тяжелой формой эпилепсии. После подобных беспрецедентных процедур пациенты нередко сообщали о ярких, но похожих на сновидения «воспоминаниях». Такие «воспоминания» могут возникать при стимуляции соседних участков нервной ткани, и даже стимуляция в разное время на одном и том же участке может привести к различным субъективным переживаниям. Эти откровения предполагают, что Пенфилд воздействовал на различные, хотя и перекрывающиеся сети нейронов, в которых один участок нервной ткани мог быть компонентом более чем одной сети, и, наоборот, разные участки могут входить в состав одной и той же сети.

Однако лишь недавно была разработана более совершенная техника регистрации активности клеток головного мозга у пациентов, находящихся в сознании, и новые данные оказались совершенно удивительными. В одном эксперименте, который сначала может показаться немного странным, клетка мозга пациента была возбуждена целыми семью различными изображениями Дженнифер Энистон, но эта же клетка никак не реагировала на восемьдесят других изображений, в том числе фотографии современных кинозвезд, таких как Джулия Робертс, или даже совместные фото Дженнифер Энистон с Брэдом Питтом. Были выявлены определенные клетки мозга, которые реагировали, повышая свою активность, только когда субъекту предъявляли фотографии той или иной знаменитости. В другом эксперименте исследователи обнаружили, что около трети наблюдаемых клеток (44 из 137) оказались также очень избирательными: в данном случае использовались фотографии Холли Берри, впоследствии отреагировавшие клетки получили название «нейроны Холли Берри».[37]37
  Quiroga, R. et al. «Invariant visual representation by single neurons in the human brain». Nature, 435, 1102–7 (2005).


[Закрыть]

Больше всего ученых поразила согласованность откликов, даже когда субъекту были показаны весьма разнообразные фотографии одного и того же человека или объекта, – явление, известное как «инвариантность». Исследования подобного рода позволяют предположить существование когнитивной обработки на уровне отдельных нейронов. Но может ли одна клетка мозга действительно независимо осуществлять специфическую функцию? Давайте еще немного приоткроем завесу тайны…

В середине двадцатого века было популярно представление о том, что в мозге существует своего рода иерархия функций, которую можно представить как пирамиду, на вершине которой находится некий «босс». Эта концепция хорошо согласовалась с научными изысканиями 1960-х годов, когда два физиолога – Дэвид Хьюбел и Торстен Визель – совершили прорыв, который спустя 20 лет принес им Нобелевскую премию.[38]38
  Kandel, Е. R. «An introduction to the work of David Hubel and Torsten Wiesel». Journal of Physiology, 587, 2733–41 (2009).


[Закрыть] Хьюбел и Визель, используя технику регистрации отдельных нейронов, исследовали поведение нейронов зрительный зоны коры головного мозга. Эксперимент позволил выявить связь отдельных нейронов с определенным участком зрительного поля. Это означает, что отдельные нейроны зрительной коры отвечают за стимулы, отражаемые определенной рецепторной зоной сетчатки глаза. Удивительное открытие заключалось в том, что когда они глубже проникали в мозг – дальше по пути обработки сигнала, клетки в буквальном смысле становились более избирательными. Казалось, существует иерархия избирательности в обработке зрительной информации: поскольку входной сигнал от сетчатки обрабатывался на последующих этапах в более глубоких участках мозга, рассматриваемые клетки становились более специализированными. Было, конечно же, удивительным открытием, что одна клетка мозга может иметь такую беспрецедентную индивидуальность: это породило некоторые странные экстраполяции, которые вышли за рамки органичной концепции иерархии физических свойств мозга, порождая искусственные иерархии сознания.

На вершине концептуальной иерархии должна находиться наиболее привередливая клетка мозга, в конечном итоге реагирующая только на конкретные образы, такие как лицо, или даже только на конкретное лицо. В то время ученые ссылались на гипотетический «нейрон бабушки», который, как следует из названия, будет реагировать только на внешность вашей бабушки как на конечную ступень в иерархии.[39]39
  Gross, С. G. 'Genealogy of the «grandmother cell». Neuroscientist, 8, 512–18 (2002); см. также Jagadeesh, B. 'Recognizing grandmother'. Nature Neuroscience, 12, 1083–5(2009).


[Закрыть] Однако идея о том, что единственный «нейрон бабушки» мог бы оказаться эффективным и самодостаточным минипроцессором, была в значительной степени дискредитирована – хотя бы потому, что у нас никогда нет достаточного количества клеток мозга для представления «всех возможных образов и их вариаций».[40]40
  Quiroga, R. Q., Fried, I.&Koch, С. 'Brain cells for grand mother. Scientific American, 308, 30–5(2013).


[Закрыть] Тогда на помощь приходит простая логика: если у вас никогда не было бабушки, ячейка была бы лишней и потраченной впустую, или если у вас был «нейрон бабушки», но он погиб (как ежедневно гибнет бесчисленное множество нейронов) – тогда вы больше не узнали бы свою бабушку!

Более реалистичная теория, учитывающая специфичность этих одиночных нейронов, заключается в том, что некая более сложная, более поздняя обработка зрительной информации в зрительной коре способна преобразовывать различные визуальные данные в единый формат (образную инвариантность) путем хранения воспоминаний о разных ракурсах одного и того же лица или объекта в разное время.[41]41
  Biederman, I. 'Recognition-by-components: a theory of human image understanding. Psychological Review, 94, 115–47 (1987); Marr, D.&Nishihara, H. K. 'Representation and recognition of the spatial organization of three-dimensional shapes'. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences, 200, 269–94 (1978); Vetter, Т., Hurlbert, A.&Poggio, T. 'View-based models of 3D object recognition: invariance to imaging transformations'. Cerebral Cortex, 5, 261 -9 (1995); and Logothetis, N. K.&Pauls, J. 'Psychophysical and physiological evidence for viewer-centered object representations in the primate'. Cerebral Cortex, 5, 270–88 (1995).


[Закрыть] Однако даже такого трюка было бы недостаточно. Оказывается, что некоторые нейроны могут быть активированы не только непосредственным изображением человека, но даже его напечатанным на бумаге именем.[42]42
  Connor, С. E. 'Neuroscience: friends and grandmothers'. Nature, 435, 1036–7 (2005).


[Закрыть] Таким образом, наблюдаемая «инвариантность» основана на механизмах, связанных с памятью, что выводит нас далеко за пределы одной лишь обработки зрительного сигнала. Видимо, нам стоит взглянуть иначе на феномен «нейрона бабушки», допуская, что это лишь верхушка айсберга. И хотя такие исследования дают представление о том, как мозг обретает индивидуальность и как он адаптируется к опыту человека, они не позволяют нам вникнуть в суть самого сознания. И все же в поисках возможных коррелятов сознания мы не остановимся даже на уровне отдельных нейронов, мы будем искать еще глубже, намного глубже…

Около пятнадцати лет назад математик Роджер Пенроуз и анестезиолог Стюарт Хамерофф применили совершенно другой подход.[43]43
  Их идея заключалась в том, что принципы квантовой физики могли бы обусловливать альтернативный процесс генерации сознания, который включал бы различные гипотетические вероятности, сокращаемые эмпирическим наблюдением вплоть до одной-единственной (коллапс волновой функции). В одной из версий квантовой теории (Копенгагенской интерпретации, которая пытается соотнести теоретические формулировки квантовой механики с соответствующими экспериментальными данными) сам акт наблюдения заставляет систему пребывать в одном из различных потенциальных состояний – это так называемое «субъективное сокращение». Но в мозге, поскольку нет внешнего наблюдателя, квантовые события должны определяться спонтанно. Cramer, J. 'The transactional interpretation of quantum mechanics'. Review of Modern Physics, 58 647–87 (1986). http://ru.laser.ru/transaction/tiqm/index.html


[Закрыть] Их аргумент состоял в том, что, поскольку сознание еще не было удовлетворительно описано с точки зрения пошаговых алгоритмов, разумно допустить наличие некоего неалгоритмического процесса, базирующегося на принципах квантовой физики, в рамках которой явления ведут себя не так, как предписывают традиционные теории. Эта идея не касалась ни крупных областей мозга, ни нейронных связей, ни даже отдельных клеток; вместо этого Пенроуз и Хамерофф сфокусировали внимание на микротрубочках – микроскопических жестких стержнях, которые содержатся внутри каждой клетки. Эти микротрубочки постоянно изменяют свою структуру – формируются, разрушаются и реорганизуются. Поэтому идея казалась очень перспективной, ведь их изменчивые конфигурации могли бы соответствовать целостным состояниям системы (согласно общепринятым принципам квантовой механики). Будь это так, если количество затронутых процессом нейронов станет достаточно большим, законы квантовой физики, обычно не имеющие силы в макромире, спровоцируют смещение системы в определенное физическое состояние (это явление носит название «квантовая когерентность»), которое каким-то образом могло бы соответствовать моменту возникновения сознания.[44]44
  Hameroff S.&Penrose, R. 'Consciousness in the universe: a review of the «Orch OR» theory'. Physics of Life Reviews, 11, 39–78 (2014).


[Закрыть]

Однако из схемы Пенроуза и Хамероффа рождается фундаментальный каламбур. Микротрубочки характерны для всех клеток, но только в случае с клетками мозга допускается, что они являются зоной квантового события, связанного с сознанием. Если это так, то какое уникальное свойство мозга позволяет им вести себя таким особым образом? Эта теория поднимает столько же вопросов, на сколько дает ответ.[45]45
  Bernroider, G.&Roy, S. 'Quantum entanglement of K+ ions, multiple channel states and the role of noise in the brain'. SPIE Third International Symposium on Fluctuations and Noise (eds. Stocks, N. G., Abbott, D.&Morse, R. P.) 205–14 (International Society for Optics and Photonics, 2005). Engel, G.S.et al. 'Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems'. Nature, 446, 782–6 (2007). Frohlich, H. 'The extraordinary dielectric properties of biological materials and the action of enzymes'. Proceedings of the Natural Academy of Sciences of the United States of America, 72, 4211 -15 (1975). Grinvald, A. et al. 'Cortical point-spread function and long-range lateral interactions revealed by real-timeoptical imaging of macaque monkey primary visual cortex'. Journal of Neuroscience, 14, 2545–68 (1994). Gauger, E. M. et al. 'Sustained quantum coherence and entanglement in the avian compass'. Physical Review Letters, 106, 040503 (2011). Hildner, R. et al. 'Quantum coherent energy transfer over varying pathways in single light-harvesting complexes'. Science, 340, 1448–51 (2013). Libet, В., Wright, E. W.&Gleason, С A. 'Preparation-orintention-to-act in relation to pre-event potentials recorded at the vertex'. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 56, 367–72 (1983). Ouyang, M.&Awschalom, D. D. 'Coherent spin transfer between molecularly bridged quantum dots'. Science, 301, 1074–8 (2003). Pokorny, J. 'Excitation of vibrations in microtubules in living cells'. Bioelectrochemistry, 63, 321–6 (2004). Turin, L. A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception'. Chemical Senses, 21, 773–91 (1996).


[Закрыть] Среди них и простой аргумент: одно то, что мозг не получается описать только лишь алгоритмическими принципами, не означает, что теория, предлагающая не алгоритмический процесс, должна автоматически рассматриваться как теория сознания.[46]46
  Woolf, N. J. 'A possible role for cholinergic neurons of the basal forebrain and pontomesencephalon in consciousness'. Consciousness and Cognition, 6, 574–96 (1997).


[Закрыть]

Давайте подведем итоги: ни одна из описанных теорий не имеет под собой достаточного обоснования, чтобы принять ее за истину. К счастью, у нас есть альтернатива: не начинать с физического мозга и не выискивать подходящее свойство, чтобы приписывать ему способность контролировать сознание, а подойти к проблеме с другой стороны. Теперь нам нужно придумать теоретическую «модель», а затем определить, можно л и ее подтвердить методами нейронауки.

От теории к практике

Одна из первых теоретических моделей для описания сознания была основана на концепции своего рода «классной доски» в мозге, «глобальной рабочей области». Эта теория была разработана Станисласом Деаном и его коллегами в конце 1990-х годов. Ученые предположили, что сигналы обрабатываются и координируются между несколькими входами, каждый из которых следует по определенному временному общему пути. Этот процесс должен порождать глобальное состояние, которое на короткий промежуток времени настолько доминируют в мозге, что само его существование препятствует образованию любого другого, формируя таким образом единое состояние сознания.

Эта концепция вдохновила философа Дэниела Деннета на создание модели, которую он назвал «моделью множественных проектов», позволяющей определять, какое состояние окажется доминирующим в соответствии с особенностями содержания текущего момента сознания. Он предлагает концепцию своего рода соревнования, в котором решающим фактором для доминирования является значительность содержания.[47]47
  Dennett, D. С.'Are we explaining consciousness yet? Cognition, 79, 221–37 (2001); Dennett, D. С Consciousness Explained. (Basic Books, 1991).


[Закрыть]

Однако, как мы видели ранее на примере «нейрона бабушки», нет никакого определяющего нейронного контроллера. Модели глобальной рабочей области и множественных проектов мало помогают в понимании сознания. С другой стороны, вместо того чтобы рассматривать сознание как процесс, мы могли бы рассматривать его в качестве объекта. На первый взгляд эта идея может показаться просто глупой. Но с тех пор как в 1 747 году французский врач и философ Жюльен Офре де Ламетри предположил, что «мозг выделяет мысли подобно тому, как печень выделяет желчь», многие мыслители долгое время рассуждали, действительно ли сознание может быть материальным объектом.[48]48
  Здесь речь идет о панпсихизме – представлении о всеобщей одушевленности природы: для ознакомления с современным взглядом на это древнее мировоззрение см., например, работы Дэвида Чалмерса: http://consc.net/papers/panpsychism.pdf


[Закрыть] Так же как время и пространство существуют независимо от мозга, но могут быть оценены им, сознание тоже может быть независимой сущностью, которую, однако, мы пока не способны выделить. Здесь нет смысла углубляться в аргументы за или против данной идеи просто потому, что с точки зрения нейронауки это не очень полезно и нет очевидного способа преодолеть этот рубеж.

И все же не так давно альтернативная и еще более абстрактная концепция была предложена нейробиологом Джулио Тонони;[49]49
  Tononi, 2004. См. также E. Tononi, 'Integrated information theory of consciousness: an updated account'. Archives Italiennes Biobgie, 150, 290–326 (2012).


[Закрыть] она носит название «теория интегрированной информации». В рамках этой теории «интегрированная информация» представляет собой уменьшение неопределенности в отношении состояния переменной в системе. Сознание пропорционально уменьшению этой неопределенности.[50]50
  Тонони вводит термин «фи» в качестве меры этой интегрированной информации: локальные группы нейронов в ключевых областях мозга будут максимизировать значение phi в течение периода времени от десяти до нескольких сотен миллисекунд. Таким образом, таламокортикальная система приводится в качестве примера «высокой» фи.


[Закрыть] Интегрированная информационная модель имеет преимущество перед более ранними «количественными» в том, что она может быть более точно смоделирована на компьютере,[51]51
  McGinn, С. The Mysterious Flame: Conscious Minds in a Material World. (Basic Books, 1999).


[Закрыть] однако пока неясно, что эта концепция привнесет в понимание того, чем является сознание и как оно связано с физическим мозгом.

Кое-кто, например технолог и футурист Рэй Курцвейл, делает ставку на сложность, независимо от биологических свойств: в 2012 году Курцвейл предположил, что «искусственный интеллект достигнет уровня человеческого примерно к 2029 году. А, скажем, к 2045 году мы умножим интеллектуальный уровень нашей цивилизации в миллиард раз».[52]52
  Kurzweil, R. How to Create a Mind: The Secret of Human Thought Revealed. (Viking, 2012).


[Закрыть] Считает ли Курцвейл, что, создавая все более сложные машины, человечество добьется того, что сознание появится спонтанно и неминуемо, как кролик из вычислительной шляпы?[53]53
  https://gigaom.com/2014/06/25/googles-ray-kurzweil-on-the-moment-when-computers-will-become-conscious/


[Закрыть] Если бы дело было исключительно в «сложности», тогда сознание не оказалось бы свойством только лишь биологических систем, сам материал не имел бы значения – только соотношение элементов, как однажды заметил философ Джон Серл.

Но здесь явно чего-то не хватает. Каждый нейрон непохож на винтик или шестеренку – он сам по себе очень динамичен. Сто миллиардов нейронов, составляющих ваш мозг, – это не фиксированные элементы, которые могли бы функционировать строго последовательно, независимо от изменений в окружающей среде. Более того, проявления непрерывного динамизма – это непрекращающиеся анатомические изменения в конфигурации каждого нейрона: легкость, с которой сигналы возбуждают эти клетки, существенно варьируется от момента к моменту в зависимости от наличия разнообразных «модулирующих» факторов.[54]54
  Bergquist, F.&Ludwig, M. 'Dendritic transmitter release: a comparison of two model systems'. Journal of Neuroendocrinology, 20, 677–86 (2008).


[Закрыть] Мозг – это постоянно меняющийся калейдоскоп взаимодействующих изменчивых элементов; он непохож на жесткую схему вычислительного устройства. Развивая эту мысль, мы сталкиваемся с ощущением огромной необъятной тайны. Очевидно, что прежние стратегии и тактики не помогут нам расставить все на свои места и что пришло время совершенно иного подхода.

Что же дальше?

Мы во что бы то ни стало должны решить эту загадку: как «вода» объективных процессов превращается в «вино» субъективного сознания[55]55
  McGinn, С. The Mysterious Flame: Conscious Minds in a Material World. (Basic Books, 1999).


[Закрыть] – так называемую «трудную проблему сознания».[56]56
  Chalmers, D. J. 'The puzzle of conscious experience'. Scientific American, 273, 80–6 (1995); см. также Chalmers, D. J. 'Facing up to the problem of consciousness'. Journal of Consciousness Studies, 2, 200–19 (1995).


[Закрыть] Но нам до сих пор не удалось сделать это с помощью классических подходов – «от эксперимента к теории» и наоборот. Мы должны отойти от упрощённых концепций, возможно, необходимых, но недостижимых нейрональных коррелятов сознания и от невнятных моделей, чтобы выявить более верную и детальную связь между объективной физиологией и субъективной феноменологией. Однако путь решения далеко не очевиден.

Проблема заключается в том, что природа ментального кажется совершенно не имеющей ничего общего с природой физических процессов. Наша задача на начальном этапе – понять взаимосвязь между психическими свойствами сознания и физическими свойствами мозга, где физиология и феноменология наделяются равным весом и постоянно перекрестно сопоставляются друг с другом. Новый подход, который будет описан в этой книге, состоит в том, что изучение феноменологии рассматривается как ключ к пониманию связи между ментальным и физическим. Вместо того чтобы сразу тянуться к скальпелю, вглядываться в клетки мозга и изучать химические формулы в надежде, что мы сможем найти Ответ На Все Вопросы, следует прежде выяснить, что нам потребуется знать о повседневном сознании.

Мы рассмотрим, вероятно, не исчерпывающий, но охватывающий многие вопросы список ситуаций из реальной жизни. Именно такой подход позволит нам понять, как возникают свойственные всем нам индивидуальные переживания, и, если повезет, мы обнаружим общие принципы и закономерности.

Во-первых, почему будильник заставляет вас просыпаться? А ведь это одна из неоспоримых фундаментальных особенностей сознания. Во-вторых, какова разница между человеческим сознанием и сознанием животного, между сознанием взрослого и младенца? В-третьих, почему каждому человеку свойственны очень разные субъективные зрительные и слуховые ощущения? В-четвертых, как окружающая среда влияет на наше сознание? В-пятых, как психические состояния, например шизофрения, депрессия и болезнь Альцгеймера, и как наркотики и алкоголь меняют наше сознание? В-шестых, как субъективный опыт сна отличается от субъективного опыта бодрствования? И наконец, почему порой так сильно меняется наше ощущение времени?

Только после рассмотрения этих вопросов мы должны определить, что мы будем измерять в мозге. Вместо того чтобы выбрать одну функцию с самого начала, мы положимся на повседневный опыт. Как оказалось, каждый элемент удобно соответствует разным этапам «типичного» дня, поэтому «вы» будете нашим проводником. И поскольку мы отслеживаем «ваш» день, мы будем постоянно переключаться между физическим и феноменологическим, объективным и субъективным. Снаружи светлеет. Уже слышен сигнал будильника…

Пробуждение

Пронзительный звук наполняет ваш череп. Туманная завеса, изолирующая вас от внешнего мира, испаряется, по мере того как сигнал становится все более назойливым. Нащупав в темноте источник шума, вы наконец восстанавливаете тишину. Но дьявольское устройство уже сделало свое дело: вы проснулись. Тем не менее вы еще не погрузились в окружающую реальность. Глаза пока закрыты, вы чувствуете, как образы медленно всплывают в сознании…

Сон

Нейробиологам давно известно, что бессознательность сна имеет градации. Фактически за предыдущую ночь вы прошли приблизительно пять циклов сна, многократно приближаясь к поверхностным и наиболее глубоким уровням. В течение первых пяти или десяти минут, когда реальность только начинает «уплывать» от вас, вы все еще были относительно бдительны. Если бы кто-то попытался вас разбудить, вы могли бы даже сказать, что вы ни в коем случае не спите. Это первый этап, начало цикла и начало вашего погружения в бессознательное. Иногда в этот период вы испытываете странные и чрезвычайно яркие ощущения, как будто падаете или слышите, как кто-то произносит ваше имя. Иногда тело как будто пронзает сплошная судорога – это явление известно как «миоклонический рефлекс»: мышцы невольно сокращаются, казалось бы, совершенно без причины. На протяжении первого этапа, если бы у вас на голове были закреплены электроды, электроэнцефалограмма (ЭЭГ) регистрировала бы характерный рисунок небольших и быстрых мозговых волн (тета-волн).[57]57
  Тета-волны имеют характерную амплитуду 10 микровольт и частоту от 4 до 8 циклов в секунду. Lancel, М.'Cortical and subcortical EEG in relation to sleep-wake behavior in mammalian species'. Neuropsychobiology, 28(3), 154–9 (1993). Bajar E.&Guntekin B. 'Review of delta, theta, alpha, beta and gamma response oscillations in neuropsychiatric disorders'. Supplements to Clinical Neurophysiology, 62, 303–41 (2013).


[Закрыть]

Затем, по мере того как вы расслабляетесь, в течение следующих двадцати минут мозг начинает генерировать дополнительные сложные электрические сигнатуры волны (от восьми до пятнадцати циклов в секунду). Это второй этап. Затем температура тела снижается, пульс замедляется. Именно в этот момент вы переходите от поверхностного сна к глубокому – это третий этап. Профиль мозговых волн на ЭЭГ замедляется еще больше, периодичность составляет уже от двух до четырех циклов в секунду. Когда эти «дельта-волны» замедляются еще сильнее, формируя от половины до двух циклов в секунду, вы входите в наиболее глубокую, четвертую фазу сна.

Примерно через тридцать минут мозг возвращается к третьей фазе, а затем ко второй. Зачем? Несомненно, было бы проще, если бы бессознательность оставалась просто устойчивым состоянием. Одна из возможных причин заключается в том, что глубокое, почти коматозное состояние в течение длительного времени может быть чревато: мир полон опасностей, надо быть начеку. Кроме того, продолжительность фаз сна меняется в течение ночи: возможно, мозг подстраивает их под свои потребности. В середине ночи четвертая фаза завершается практически полностью, а следующая за ней пятая фаза становится доминантой и продолжается почти час.[58]58
  Продолжительность REM-сна увеличивается с 10 минут в первом цикле до 50 минут в последнем. Purves, D. et al. (eds.) Neuroscience. (Sinauer, 2012).


[Закрыть]

Пятую фазу называют также фазой «быстрого сна» (REM), потому что ваши глаза активно двигаются под закрытыми веками. Тем временем глубина и частота дыхания увеличиваются, ЭЭГ выявляет профиль быстрых нерегулярных волн, свидетельствующих о повышенной умственной активности, сопоставимой с активностью во время бодрствования: сны (которые позже будут рассмотрены более подробно) мы видим именно в этой фазе, хотя и не на всем ее протяжении. Несмотря на напряженную умственную деятельность во время этой фазы, ваши мышцы, напротив, наиболее расслаблены, возникает сонный паралич: «быстрый сон» также известен как «парадоксальный сон», поскольку вы как будто находитесь в сознании, но при этом обездвижены. Просто вспомните ситуации, которые обычно возникают в кошмарах, когда вы пытаетесь убежать от опасности, но странным образом обнаруживаете себя неподвижным. Эта фаза повторяется четыре-пять раз в течение ночи.[59]59
  Purves, D. et al. (eds.) Neuroscience. (Sinauer, 2012).


[Закрыть] Но как же осуществляется контроль циклов сна?

Давно известно, что в основе регуляции этих циклов лежит выделение конкретных химических передатчиков – нейротрансмиттеров. Выступая в роли посредников между двумя нейронами, эти вещества путем диффузии перемещаются от одной клеточной мембраны (пресинаптической) к другой (постсинаптической) через узкую щель – синапс: они запускают в постсинаптическом нейроне каскад реакций, вызывающих «возбуждение» либо «торможение». На языке нейробиологии торможение – это просто уменьшение вероятности того, что нейрон сможет генерировать потенциал действия (электрический импульс). Возбуждение же, напротив, увеличение вероятности. Этот жизненно важный электрический импульс длится около одной тысячной доли секунды (примерно 1 миллисекунду) и является универсальным признаком того, что клетка мозга активна и сигнализирует об этом следующей клетке. Возбужденный нейрон будет генерировать залпы потенциалов действия на высокой скорости, в то время как тот, что «заторможен», может вовсе молчать.

Передатчики, контролирующие сон, бодрствование и сновидения, – близкие по молекулярной структуре дофамин, норадреналин, гистамин и серотонин, вместе с четвертым – ацетилхолином, чуть более далеким «родственником», – наиболее известные и хорошо исследованные нейротрансмиттеры.[60]60
  Дофамин, норадреналин, гистамин, серотонин и ацетилхолин уже давно принято считать «классическими» передатчиками, выделяющимися в области пресинаптической аксональной терминали, чтобы пересечь узкую щель (синапс) и попасть на терминаль клетки-мишени. Там передатчик осуществляет молекулярное рукопожатие со своим специализированным рецепторным белком, после чего клетка генерирует новый потенциал действия. Kandel, Е., Schwartz, James H.&Jessell, T., Principles of Neural Science, 5th edn (Elsevier, 2012).


[Закрыть] Но действительно большой интерес представляют особенности их распространения и локализации: они могут больше, чем просто осуществлять связь между двумя нейронами через синаптическую щель, но вместо этого они работают по принципу садовых распылителей. Разумеется, на то должны быть причины. Каждый член этого химического семейства играет свою ключевую роль в контроле сна и бодрствования. Уровни норадреналина и его химического предшественник дофамина, а также серотонина и гистамина наиболее высоки в процессе бодрствования, но значительно снижаются во время нормального сна и практически отсутствуют в пятой фазе.[61]61
  Aston-Jones, G.&Bloom, F. Е. 'Activity of norepinephrine-containing locus coeruleus neurons in behaving rats anticipates fluctuations in the sleep-waking cycle'. Journal of Neuroscience, 1, 876–86 (1981); Kocsis, B. et al. 'Serotonergic neuron diversity: identification of raphe neurons with discharges time-locked to the hippocampal theta rhythm'. Proceedings of the Natural Academy of Sciences of the United States of America, 103, 1059–64 (2006); and Steininger, T. L. et al. 'Sleep-waking discharge of neurons in the posterior lateral hypothalamus of the albino rat'. Brain Research, 840, 138–47 (1999); and Takahashi, K., Lin, J.-S.&Sakai, K. 'Neuronal activity of histaminergic tuberomammillary neurons during wake-sleep states in the mouse'. Journal of Neuroscience, 26, 10292–8 (2006); Takahashi, K. et al. 'Locus coeruleus neuronal activity during the sleep-waking cycle in mice'. Neuroscience, 169, 1115–26 (2010); Jacobs, B. L.&Fornal, С. A. Activity of brain serotonergic neurons in the behaving animal'. Pharmacological Reviews, 43, 563–78 (1991).


[Закрыть] Между тем ацетилхолин все равно «работает».[62]62
  Hobson, J. A. 'Sleep and dreaming: induction and mediation of REM sleep by cholinergic mechanisms'. Opinion in Neurobiology, 2, 6, 759–63 (Dec. 1992).


[Закрыть] Так за что же отвечают эти передатчики?

Оказывается, эти молекулы ведут двойную жизнь и могут действовать в совершенно альтернативной роли – в качестве модуляторов.[63]63
  Lee, S. H.&Dan, Y. 'Neuromodulation of brain states'. Neuron, 76, 109–222 (2012).


[Закрыть] Модулятор не вызывает немедленного торможения или возбуждения: вместо этого он влияет на то, как клетка мозга будет реагировать на входной сигнал в течение некоторого временного интервала в будущем. Чтобы лучше понять, как это происходит, представим такую ситуацию: вы работаете в офисе, и сегодня прошел слух о повышении зарплаты. Сам по себе слух не заставит сотрудников, скажем, поднять трубку молчащего телефона. Однако когда поступает стандартный сигнал – телефонный звонок, сотрудник будет отвечать на него быстрее и охотнее. Модулятор работает та к же, как этот слух: сам по себе он не вызывает эффекта, но усиливает последующее событие.[64]64
  Greenfield, S. A. The Private Life of the Brain (Penguin, 2000). Cole, A. E.&Nicoll, R. A. Acetylcholine mediates a slow synaptic potential in hippocampal pyramidal cells'. Science, 221, 1299–301 (1983); McCormick, D. A.&Prince, D. A/Mechanisms of action of acetylcholine in the guinea-pig cerebral cortex in vitro'. Journal of Physiology, 375, 169–94 (1986).


[Закрыть]

Теория и практика показывают, что классификация нейротрансмиттеров как однозначно тормозных или возбуждающих была бы ошибочна. Все зависит от времени и конкретного участка мозга, в котором они работают. Так, в течение определенного периода времени эффекты входящего раздражителя (другого передатчика) будут отличаться в присутствии модулятора вплоть до того, что эффект раздражителя может быть полностью нивелирован. Таким образом, огромное значение модуляции заключается в изменении временных рамок для процессов передачи сигнала в мозге. Такая тонкая регуляция никогда бы не была возможна при простой передаче сигнала.

Пока вы спали и теперь, когда вы лежите в полудреме, уровни этих вездесущих модуляторов поднимаются и падают в разные моменты времени, поддерживая различные стадии сна, располагая большие популяции клеток мозга быть более активными либо спокойными. Поэтому весьма вероятно, что при этом модуляторы вносят важный вклад в формирование сознания и бессознательности, а также в регуляцию перехода между ними. Но мы только что выяснили, что погружение в сон и выход из него – постепенный процесс: это говорит о том, что модуляторы действуют не как клавишный выключатель. Скорее, они работают как своего рода регулятор яркости…