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

Анестезия

Поскольку сон – это ступенчатый процесс, не кажется удивительным, что другая известная форма бессознательного – анестезия – может также варьировать по глубине. Генри Хикман, «отец анестезии», впервые использовал углекислый газ для погружения пациента в бессознательное состояние в 1820-х годах. Однако только в 1937 году американский врач Артур Эрнест Гедель описал четыре стадии анестезии. В середине двадцатого века ингаляционные анестетики были гораздо менее эффективны, чем современные, поэтому их действие было относительно медленным: этот недостаток тем не менее помог Геделю обнаружить характерные этапы постепенного процесса потери сознания. В наши дни при внутривенном введении мощных анестетиков эти этапы не столь очевидны, но они есть, хотя и протекают в значительно ускоренном темпе. На первом этапе вы испытываете аналгезию (от греч. «отсутствие боли»): это состояние может быть подтверждено потерей чувствительности, скажем, при уколе руки иглой. Любая боль, которую вы испытывали, исчезает. Вы, вероятно, даже не заметите этого и даже сможете продолжать говорить. Затем вы теряете сознание, и наступает вторая стадия анестезии, в которой ваше тело будет, тем не менее, демонстрировать признаки волнения, возможно, бреда. Зрачки расширяются, дыхание и частота сердечных сокращений становятся нерегулярными. Вы можете также совершать неконтролируемые, непроизвольные движения, в редких случаях бывает рвота. Когда вы входите в третью стадию, так называемую хирургическую анестезию, ваши мышцы расслабляются, дыхание сильно замедляется. Глаза, которые только что закатывались наверх, становятся фиксированными, утрачивается рефлекс роговицы (мигательный рефлекс на прикосновение к глазу), а также пропадает реакция сужения зрачка на свет. Дыхание становится едва заметным. Наконец, наступает глубокое бессознательное состояние – вы готовы к операции.[65]65
  Между тем возможен четвертый этап. Если анестезирующего препарата введено слишком много, клетки мозга в его древней примитивной части, расположенной чуть выше спинного мозга, оставаясь живыми, тем не менее прекратят генерацию потенциалов действия. Поскольку эти клетки контролируют дыхание и сердечный ритм, вы, таким образом, перестанете дышать, а ваше кровяное давление упадет до опасно низких значений, что будет препятствовать кровоснабжению жизненно важных органов. Иными словами, вы можете умереть. Однако современные препараты и методы анестезиологии сводят вероятность такого развития событий к нулю.


[Закрыть]

Таким образом, анестезия, как и сон, является постепенным процессом. Медленно развивающиеся эффекты потери сознания перед операцией могут быть выявлены с помощью анализа ЭЭГ пациента с использованием метода, введенного около двадцати лет назад. Процедура выявляет биспектральный индекс (BIS) – меру уровня сознания (или, скорее, бессознательности) во время анестезии. Идея использования BIS заключается в том, чтобы избежать кошмарных сценариев: либо слишком мощной анестезии, способной привести к смертельному исходу, либо слишком слабой, при которой пациент все равно остается в полубессознательном состоянии, ощущая тревогу, но не имея возможности сообщить об этом из-за воздействия мышечных релаксантов, вызывающих паралич и препятствующих речи.[66]66
  Pandit, J. J.&Cook, Т. M. 'National Institute for Clinical Excellence guidance on measuring depth of anaesthesia: limitations of EEG-based technology'. British Journal of Anaesthesia, 112, 385–6 (2014).


[Закрыть]

Однако проблема индекса BIS заключается в том, что он не дает одинаково точных значений для различных анестетиков. Поэтому для того, чтобы определить, какие механизмы мозга задействованы в процессе, нам необходимо решить очевидный парадокс: с одной стороны, разные анестетики должны влиять на разные нейронные процессы, а значит, и на разные участки мозга. С другой стороны, все они, тем не менее, приводят к одной и той же конечной цели – к равномерной потере сознания. Среди анестезиологов популярны две конкурирующие теории, которые пытаются разрешить эту загадку. Одна заключается в том, что существует единственный общий путь, лежащий в основе потери сознания. Другая – что есть множество различных состояний мозга с неотличимыми внешними проявлениями.

Основная проблема, препятствующая реальному пониманию того, какой из этих двух сценариев более вероятен, заключается в том, что методики сравнения анестезирующих средств различаются, поэтому трудно сопоставлять результаты объективно.[67]67
  Barrett, А. В. et al. 'Granger causality analysis of steady-state electroencephalographic signals during propofol-induced anaesthesia'. PLoS One, 7 (2012). Cruse, D. et al. 'Detecting awareness in the vegetative state: electroencephalographs evidence for attempted movements to command'. PLoS One, 7, e49933 (2012). Goldfine, A. M. et al. 'Reanalysis of «Bedside detection of awareness in the vegetative state: a cohort study» . Lancet, 381, 289–91 (2013). Lee, U. et al. 'Disruption of frontal-parietal communication by ketamine, propofol and sevoflurane'. Anesthesiology, 118, 1264–75 (2013). Mashour, G. A.&Avidan, M. S. 'Capturing covert consciousness'. Lancet, 381, 271 -2 (2013). Menon, R.&Kim, S. 'Spatial and temporal limits in cognitive neuroimaging with fMRI'. Trends in Cognitive Science, 3, 207–16 (1999). Nicolaou, N., Hourris, S., Alexandrou, P.&Georgiou, J. 'EEG-based automatic classification of «awake» versus «anesthetized» state in general anesthesia using Granger causality'. PLoS One, 7, e33869 (2012).


[Закрыть] И все же, хотя открытие общего механизма бессознательности является неотложным приоритетом, неоспоримый факт заключается в том, что бессознательность сама по себе является переменной по глубине.

Сознание как переменная

Если бессознательное приходит на смену сознательному ступенчато, как во сне, так и под воздействием анестезии, то может ли сознание также иметь градации? Если сознание действительно изменчиво, тогда легче будет получить ответы на многие вопросы. Например, свойственно ли сознание плоду?

К концу четвертой недели беременности эмбрион человека уже имеет три мозговые структуры – передний, средний и задний мозг, которые начинают функционировать в течение последующей недели.[68]68
  Stiles, J.&Jernigan, Т. L. 'The basics of brain development'. Neuropsychology Review, 20, 327–48 (2010).


[Закрыть] Возможно ли, что это и есть зарождение крошечного сознания? И если да, то как оно происходит? Просто предположите на мгновение, что плод бессознателен. Но если так, когда же все меняется? Возможно, когда ребенок в конце концов проходит через родовой канал? В таком случае вы столкнетесь с довольно печальной перспективой, если вам случится родиться путем кесарева сечения, – вы никогда не будете сознательными на протяжении всей своей жизни. «Это абсурд», – скажете вы. Потому, пожалуй, решающим является полноценное внутриутробное развитие в течение сорока недель. Тем не менее трудно представить себе родителей недоношенного ребенка, которые говорят: «Смотрите, сегодня девять месяцев с момента зачатия. Малыш вчера ничего не осознавал, но сегодня станет сознательным». Очевидно, что это безумие не только с точки зрения здравого смысла и правдоподобия, но и потому, что мозгу безразлично, получает он кислород через пуповину или нос. Таким образом, возникает вопрос: когда же плод действительно становится сознательным? В конце концов, нет четкой линии, нет рубежа, который пересекается по мере того, как плод растет в утробе матери. Ни изменение в физиологии мозга и, конечно, ни факт рождения внезапно не вызывают появления сознания как по щелчку пальцев.

Более реалистичным и научным подходом было бы полностью отвергнуть предположение о том, что плод до рождения не сознателен. Вместе с этим мы также можем избавиться от неудобного представления о том, что сознание работает, как кухонный комбайн. Давайте вместо этого вернемся кобразудиммер-переключателя и подумаем о сознании как о результате количественного увеличения объема и формирования структуры мозга в процессе развития. Иными словами, сознание должно расти, когда растет биологический мозг, как в индивидуальном развитии, так и в филогенезе.[69]69
  Greenfield, S. A. Journey to the Centres of the Mind. (W. H. Freeman, 1995); Greenfield, S. A. The Private Life of the Brain: Emotions, Consciousness and the Secret of the Self. (Wiley, 2000). Koch, С&Greenfield, Susan. 'How does consciousness happen? Scientific American, 297, 76–83 (2007).


[Закрыть] А что, если мы сможем найти еще некий неопознанный процесс, который имеет свойство непрерывно меняться? Если бы мы могли это сделать, тогда стал бы возможным более конструктивный подход к обнаружению важной корреляции. Итак, наконец у нас есть кое-что, хотя все еще очень неопределенное. Куда мы движемся дальше, идентифицируя это «кое-что»?

Разумно начать изучение этого вопроса с макромасштабных участков мозга, таких как лобная кора, таламус или гиппокамп: в конце концов, они видны невооруженным глазом и их меняющиеся паттерны активности знакомы нам как красивые цветные изображения, которые мы видим при сканировании мозга. Естественно, разнообразные области, играющие очевидную роль в сознании,[70]70
  Tononi, G.&Koch, С The neural correlates of consciousness: an update'. Annals of the New York Academy of Sciences, 1124, 239–61 (2008).


[Закрыть] тщательно задокументированы и перечислены: возможно, неудивительно, что они разбросаны по всему мозгу.[71]71
  Например, при использовании галотановой анестезии более 10 анатомических областей мозга демонстрируют снижение метаболизма глюкозы. Alkire, М. Т. et. al. 'Functional brain imaging during anesthesia in humans: effects of halothane on global and regional cerebral glucose metabolism' Anestthesiology, 90, 701–9 (1999).


[Закрыть] Непосредственно камнем преткновения здесь является то, что действие анестетиков при ингибировании определенной конкретной области не обязательно приводит к бессознательному состоянию. Таким образом, неизбежный вывод состоит в том, что это ключевой комплекс областей мозга, которые необходимо деактивировать согласованно, чтобы гарантировать полную потерю сознания. Очевидно, что бессознательность и, в более широком смысле, сознание будут зависеть в значительной степени от взаимосвязи между различными областями мозга.[72]72
  Lewis, L. D. et al. 'Rapid fragmentation of neuronal networks at the onset of propofol-induced unconsciousness'. Proceedings of the Natural Academy of Sciences of the United States of America, 109, E3377–86 (2012).


[Закрыть] В подтверждение этой идеи исследования показывают, что в глубоком сне ключевое изменение происходит, когда связь между областями мозга нарушается, вследствие чего сигналы передаются менее эффективно.[73]73
  Massimini, M. et al. Triggering sleep slow waves by transcranial magnetic stimulation'. Proceedings of the Natural Academy of Sciences of the United States of America, 104, 8496–501 (2007).


[Закрыть] Но одно дело утверждать, что связь между разными областями мозга является крайне важной, – это и так ясно. Совсем другое, как мы видели в главе 1, разобраться, какова схема минимального комплекта этих областей или ключевой процесс и где, в таком случае, он протекает. Кроме того, мы не до конца понимаем, можно ли нивелировать бессознательность во время сна и в состоянии наркоза, – ключевые процессы, которые осуществляются во время этих состояний, еще предстоит оценить должным образом.

Итак, как мы можем объять необъятное – разложить по полочкам все детали дифференцированного, качественно меняющегося процесса? Единственный ответ заключается в том, что в основе бессознательного лежит не какой-то мозговой переключатель внутри или между ключевыми областями мозга, а некий процесс, который еще не был достоверно выявлен с точки зрения нейроанатомии, который, возможно, даже не укладывается в рамки критерия «все или ничего».

Когда я только начинала изучать нейронауку, обычной практикой было пытаться объяснить мозговые процессы, рисуя схемы, в которых участки мозга изображаются в виде аккуратных прямоугольников со стрелками между ними, с символами «+» или «-», обозначающими простое возбуждение или торможение. Однако мы только что видели, что нейронным связям свойственны эффекты модуляции: любое торможение или возбуждение между группами клеток или внутри них будет зависеть от их текущего состояния в каждый момент времени. Это означает, что нам надо искать какой-то дополнительный вид механизма, который может функционировать на уровне, превышающем уровень одиночных нейронов. Как мы уже знаем, они не функционируют как автономные единицы. Более того, каким бы ни был этот новый механизм, прежде всего он должен быть пластичным, непрерывно меняющимся от одного момента к другому.

Нейронные ансамбли

Еще в 1949 году канадский психолог Дональд Хебб представил революционную идею о том, что нейроны могут адаптироваться к пережитым событиям – в некотором смысле учиться. Хебб показал, что нейроны, находящиеся в непосредственной близости друг к другу, имеют тенденцию к синхронизации, то есть их активность согласована: находясь в этом состоянии, они образуют единую функциональную сеть, операции которой могут выходить далеко за пределы триггерной зоны. Далее ученый предположил, что если действительно возникает такая коллективная активность, тогда эти нейронные сети могли бы провоцировать гораздо более длительные изменения в синапсах, что, в свою очередь, привело бы к длительной, укрепленной связи между клетками головного мозга внутри этой сети. Почему же эта идея считается таким прорывом?

Провидческая теория впервые объяснила, как мозг может адаптироваться к входным сигналам и, следовательно, к окружающей среде, – феномен, который был назван пластичностью (от греческого plastikos – пригодный для лепки).[74]74
  Spatz, Н. С. 'Hebb's concept of synaptic plasticity and neuronal cell assemblies'. Behavioural Brain Research, 78, 3–7 (1996).


[Закрыть] Пластичность теперь признана ключевым свойством мозга, хотя у разных видов животных она проявляется в неравной степени. У таких примитивных, как, скажем, золотая рыбка, поведение все же наиболее тесно связано с генами. У ее мозга не так много нейронных связей, поэтому окружающая среда будет иметь меньшее влияние, чем у более высокоорганизованных животных, для которых индивидуальный опыт в буквальном смысле может оставить отпечаток в мозге.

Среди представителей царства животных мы, люди, обладаем наиболее развитой способностью к адаптации, поэтому занимаем больше экологических ниш, чем любой другой вид на планете, – мы можем жить и процветать в самых разных уголках земного шара, от джунглей до Арктики. Феноменальная пластичность нейронных связей человеческого мозга также означает наибольший потенциал среди всех видов, чтобы каждый из нас мог стать поистине уникальной личностью благодаря индивидуальному опыту – благодаря адаптируемым синапсам Хебба.

Идея Хебба была подтверждена эмпирически несколькими десятилетиями позже, когда нейрофизиологам удалось выявить клеточный механизм долговременной, относительно медленной адаптации, локализованной в отдельных синапсах. Этот механизм во многом объясняет различные явления в неврологии и психологии, в частности те, что связаны с обучением и памятью. Тем не менее, хотя за последние несколько десятилетий эта парадигма была успешно применена и исследована в бесчисленных публикациях, существует дилемма: мы можем исследовать мозг, как это сделал Хебб, – на уровне клеток, синапсов и передатчиков (подход «снизу вверх») или же сосредоточиться на конечных функциях мозга и его макроуровневых зонах (стратегия, которая, в отличие от первой, получила название «сверху вниз»).

Но как перейти с одного уровня на другой?

Должен существовать некий способ, с помощью которого эти маленькие локализованные сети нейронов могут влиять на взаимодействие между определенными областями мозга, порождая когнитивные процессы, такие как запоминание и формирование опыта, определяющие нашу индивидуальность. Иными словами, должен быть мост между макромасштабным («сверху вниз») и микромасштабным («снизу вверх»). Хебб не знал, удастся ли нам продвинуться дальше. Но он полагал, что эта локальная активация могла бы, в гораздо больших масштабах, в конечном итоге привести к согласованности в глобальной активности и функционировать во многих других нейронах.[75]75
  Hebb, 1949.


[Закрыть]

Эти гипотетические, гораздо более масштабные нейронные соединения в течение многих лет невозможно было зарегистрировать в реальности. Они слишком обширны, чтобы изучить их при помощи методов классической электрофизиологии, которые позволяют наблюдать одновременно лишь несколько нейронов, также эти связи не выявляются и при стандартном сканировании мозга. Помните, что у изображений головного мозга скорость обновления кадров в тысячу раз медленнее скорости, с которой осуществляются нейронные взаимодействия: как и в случае старых викторианских фотографий, упомянутых в главе 1, с их долгой выдержкой, ограничивающей содержание фото лишь статичными объектами. Поэтому все, что можно увидеть с помощью обычного аппарата МРТ, является постоянной активностью в течение нескольких секунд.

Итак, как же ученые смогли узнать, верна ли теория Хебба? Задача состояла в том, чтобы найти способ связать обработку сигнала «сверху вниз» и «снизу вверх». Но все, что нейронаука имела в своем арсенале, – это методы регистрации локализованных сигналов при помощи нескольких электродов и стандартные методы визуализации. Затем, в 90-е годы прошлого века, появилась новая технология – визуализация при помощи потенциал-чувствительных красителей (VSDI). Ее разработал нейробиолог Амирам Гринвальд и его коллеги в Институте Вейцмана в Израиле.[76]76
  Grinvald, A. et al. 'Cortical point-spread function and long-range lateral interactions revealed by real-time optical imaging of macaque monkey primary visual cortex'. Journal of Neuroscience, 14, 2545–68 (1994). Cohen, L B. et al. Changes in axon fluorescence during activity: molecular probes of membrane potential'. Journal of Membrane Biology, 19, 1–36 (1974). Waggoner, A. S.&Grinvald, A. 'Mechanisms of rapid optical changes of potential sensitive dyes'. Annals of the New York Academy of Sciences, 303, 217–41 (1977). Waggoner, A. S. 'The use of cyanine dyes for the determination of membrane potentials in cells, organelles and vesicles'. Methods in Enzymology, 55, 689–95 (1979). Fluhler, E, Burnham, V. G.&Loew, L. M. 'Spectra, membrane binding and potentiometric responses of new charge shift probes'. Biochemistry, 24, 5749–55 (1985). Ebner J. J.&Chen, G. 'Use of voltage-sensitive dyes and optical recordings in the central nervous system'. Progress in Neurobiology, 46, 463–506 (1995). Fromherz, P.&Lambacher, A. 'Spectra of voltage-sensitive fluorescence of styryl-dyein neuron membrane'. Biochimica et Biophysica Acta, 1068, 149–56 (1991).


[Закрыть] С помощью этой технологии неожиданно стало возможным обнаружить явления, которые остались бы скрытыми при обычном неинвазивном методе имиджинга.[77]77
  Тем не менее VSDI сам по себе не может обнаруживать единичные потенциалы действия: пространственное разрешение метода составляет около 100x100x100 микрометров, охватывая от нескольких десятков до нескольких сотен нейронов. С другой стороны, технология VSDI, хотя и нуждается во вспомогательных методах, идеально подходит для выявления мезомасштабного уровня организации мозга. Grinvald, A. et al. 'Cortical point-spread function and long-range lateral interactions revealed by real-time optical imaging of macaque monkey primary visual cortex'. Journal of Neuroscience, 14, 2545–68 (1994). Arieli, A.&Grinvald, A/Optical imaging combined with targeted electrical recordings, microstimulation or tracer injections'. Journal of Neuroscientific Methods, 116, 15–28 (2002). Tominaga, T. et al. 'Quantification of optical signals with electrophysiological signals in neural activities of di-4-ANEPPS stained rat hippocampal slices'. Journal of Neuroscientific Methods, 102, 11–23 (2000).


[Закрыть] Как следует из названия, VSDI выявляет значения потенциала на клеточной мембране и, следовательно, динамику активности нейронов. Поскольку краситель внедряется в мембрану, это означает, что считывание является прямым, поэтому метод эффективен практически в мгновенном масштабе времени. Теперь, благодаря этому методу, мы можем увидеть в очень быстрых временны́х масштабах, соизмеримых с реальными событиями в мозге, что между клеточным уровнем операций и уровнем анатомически различимых областей головного мозга действительно есть промежуточная ступень обработки сигнала, благодаря которой обширные группы нейронов работают как единое целое.

Рисунок 1 взят из работы моей собственной исследовательской группы в Оксфорде, где мы работаем со срезами головного мозга крыс с использованием VSDI. Результирующая активность после короткого электрического импульса отражена при помощи цветовой шкалы. Красный цвет (на рисунке – белый) обозначает наибольшую активность, фиолетовый (на рисунке – темно-серый) – наименьшую. Между тем зона диаметром в несколько миллиметров, в которой все происходит, велика по сравнению с одной клеткой, но довольно мала по сравнению с анатомически обособленной областью мозга: это истинный мезомасштабный уровень. Обратите внимание, в частности, на очень высокое временно́е разрешение: в течение 8 миллисекунд коллективная активность достигает максимума, а затем, в конечном счете, почти сходит на нет – в данном случае примерно к 20-й миллисекунде эксперимента. Этот процесс прежде не мог быть обнаружен при обычном сканировании мозга.

Рис. 1. Визуализация «ансамбля». Последовательность изображений, сделанных с временным промежутком в 0, 001 секунды, демонстрирующая широко распространяющуюся активность, регистрируемую с помощью потенциал-чувствительных красителей в срезе крысиного мозга после импульса стимуляции длительностью в 0, 1 микросекунды. Наивысшая активность наблюдается в центре и постепенно снижается к периферии, напоминая круги от брошенного в воду камня. (Badin&Greenfield, неопубликованное)

Поскольку эти крупномасштабные, но эфемерные вспышки согласованной активности нейронов по-прежнему довольно мало изучены и до сих пор нет четкого консенсуса относительно их строгого определения, они упоминаются под разными названиями. В нашей группе мы называем их «нейронными ансамблями» и определяем как вариабельные эфемерные (субсекундные) макромасштабные объединения клеток головного мозга (например, около 10 миллионов или более), которые не ограничены или не определены анатомическими областями или системами мозга.[78]78
  Это определение ансамблей принято не повсеместно: термин использовался для самых разных явлений, например, как синоним кортикальных колонок, которые являются «анатомически хорошо оформленными примерами нейронных сетей». Krueger J. М. et al. 'Sleep as a fundamental property of neuronal assemblies'. National Review of Neuroscience, 9(12): 910–19 (2008).


[Закрыть]

Рис. 2. Кадры в формате 3D, снятые с промежутком в 5 миллисекунд, демонстрирующие нейронный ансамбль, сформированный в интактной сенсорной коре обезглавленной крысы, активированный прикосновением к вибриссе. Обратите внимание, что диаметр ансамбля измеряется примерно на 6–7 мм выше уровня фонового шума.[79]79
  Devonshire, I. M. et al. 'Effects of urethane anaesthesia on sensory processing in the rat barrel cortex revealed by combined optical imaging and electrophysiology'. European Journal of Neuroscience, 32, 786–97 (2010).


[Закрыть] Детальное моделирование таких пространственных структур прежде было невозможно при использовании стандартных электрофизиологических методов

Хотя визуализация в срезах головного мозга и может выявлять «гайки и болты» нейронных ансамблей, картина не будет полной без рассмотрения неповрежденного мозга животного (как говорится, in vivo). В таких экспериментах триггером может быть, скажем, вспышка света[80]80
  Grinvald et al. 1994.


[Закрыть] или прикосновение кусам крысы (рис. 2).

Однако и в срезах, и в неповрежденном мозге под воздействием анестезии активность в ансамбле напоминает рябь от брошенного в воду камня. И так же как сам камень намного меньше, чем расходящиеся от него круги, в ответ даже на короткий стимул света возбуждение распространяется на немалую площадь,[81]81
  Там же.


[Закрыть] значительно превышающую площади устойчивых тривиальных нейронных цепей в коре.[82]82
  Если предполагать, что средний диаметр клетки мозга составляет около 40 мкм и что от 5 до 10 % общего объема мозга представлено жидкостью, окружающей эти клетки, тогда, если активность распространяется в виде сферы, при ее пиковом значении (примерно на 10 мс) ею будет охвачено около 1, 06 млрд нейронов. Конечно, трехмерную форму невозможно оценить в ходе эксперимента на двумерном срезе. И даже будь это так, не было бы причин утверждать, что форма непременно окажется сферической. Но главное, что таким образом вы, по крайней мере, можете получить представление о количестве вовлеченных нейронов. Stoeckel, L. Е. et al. 'Optimizing real-time fMRIneurofeedback for therapeutic discovery and development'. Neurolmage: Clinical, 5, 245–55 (2014).


[Закрыть]

Однако когда вы пользуетесь оптическими методами для наблюдения за мозгом анестезированного животного, вы также можете увидеть нечто такое, что нельзя увидеть в срезах мозга. Например, что в мозге даже без какой-либо очевидной стимуляции постоянно происходят крупномасштабные колебания активности. Нейроны действуют как мини-осцилляторы, которые соединены в цепи с разными временными задержками.[83]83
  Llinas, R.&Sasaki, K. 'The functional organization of the olivocerebellar system as examined by multiple purkinje cell recordings. European Journal of Neuroscience, 1, 587–602(1989).


[Закрыть] С учетом правильного соотношения свойств в группе нейронов, эти колебания могут продолжаться бесконечно, обеспечивая фоновую активность.[84]84
  Wu, J. Y., Xiaoying Huang&Chuan Zhang. 'Propagating waves of activity in the neocortex: what they are, what they do'. Neuroscientist, 14, 487–502 (2008).


[Закрыть]

Когда мы думаем о том, как функционирует мозг, в голову приходит ассоциация с компьютером. Но мозг – это не бескомпромиссно организованная структура с фиксированными соединениями, бинарными функциональными состояниями включения /отключения. Нельзя отрицать, что такие связи существуют на локализованном уровне и в мозге, но это совсем другая история. Иными словами, мозг не является строго организованной структурой. Напротив, он больше похож на вздымающийся океан – иногда относительно спокойный, но изменчивый, а порой бурный. Наложение на эту нейронную турбулентность единичных триггеров, будь то сигналы, зародившиеся в самом мозге или же вызванные внешним сенсорным раздражителем, вызывает активацию соответствующих нейронных ансамблей.[85]85
  Greenfield, S. A.&Collins, T. F. T. 'A neuroscientific approach to consciousness'. Progress in Brain Research, 150, 11–23 (2005).


[Закрыть]

Но являются ли нейронные ансамбли частью пазла, который мы должны собрать, чтобы понять, что такое сознание? Если да, то они должны быть подвержены действию факторов, заведомо влияющих на глубину сознания. Например, воздействию анестетиков. Ранее мы видели, что основным парадоксом анестезирующих средств является то, что не выявлено единого механизма, обусловливающего их действие. Эти препараты доступны во всех мыслимых формах и концентрациях, а в их химической структуре нет такого сходства, которое позволило бы выделить их как отдельную группу, в отличие от других психоактивных препаратов, даже тех, которые несут дополнительную функцию, как, например, обезболивающие (анальгетики). Примечательно, что на микроуровне анестетики и анальгетики в ряде случаев могут вызывать схожие эффекты: снижение активности – так называемое торможение. Но где же скрывается важное функциональное отличие между теми препаратами, что снимают боль, и теми, что «отнимают» сознание?

В одном из экспериментов мы сравнили способность химически разнообразных анестетиков и болеутоляющих оказывать влияние на динамику нейронных ансамблей. Оказалось, что болеутоляющие средства никак не влияют на ансамбли в срезах мозга, но два анестетика вызвали заметные изменения. И хотя они очень отличаются друг от друга по химической структуре, оба вызывают модификации в ансамблях, увеличивая продолжительность сетевой активности в них. Таким образом, анестетики, несмотря на различие механизмов действия на микроуровне, могут демонстрировать аналогичные эффекты на мезомасштабном уровне нейронных ансамблей. Клинической медицине известны случаи, когда длительные судороги вызывали потерю сознания,[86]86
  Blumenfeld, Н. 'Consciousness and epilepsy: why are patients with absence seizures absent? Progress in Brain Research, 150, 271–86 (2005); Penfield, W.&Jasper, H. Epilepsy and the Functional Anatomy of the Human Brain (Little, Brown&Co., 1954). Пенфилд У., Джаспер Г. Г. Эпилепсия и функциональная анатомия головного мозга человека. М.: Издательство иностранной литературы, 1958.


[Закрыть] поэтому здесь длительная активация ансамбля потенциально может способствовать достижению аналогичного результата. Однако срезы мозга, которые мы рассматривали, не могут «потерять сознание», поскольку они никогда не были сознательными. Эта курьезная проблема кажется неразрешимой. Тем не менее нам хотелось бы смоделировать ситуацию, в которой, работая со срезом мозга, мы могли каким-то образом имитировать такой переход между бессознательностью и сознанием.

Одно из возможных решений заключается в использовании противоречивого, но общеизвестного факта: под воздействием экстремально высоких атмосферных давлений эффекты потери сознания при продолжающейся анестезии обращаются вспять – животные просыпаются.[87]87
  Davies, D. L&Alkana, R. L. 'Benzodiazepine agonist and inverse agonist coupling in GABAA receptors antagonized by increased atmospheric pressure'. European Journal of Pharmacology, 469, 37–45 (2003); Johnson, F. H.&Flagler, E. A. 'Hydrostatic pressure reversal of narcosis in tadpoles'. Science, 112, 91–2 (1950); Johnson, F H.&Flagler, E. A. Activity of narcotized amphibian larvae under hydrostatic pressure'. Journal of Cellular Physiology, 37, 15–25 (1951).


[Закрыть] Будет ли подобное изменение в среде оказывать влияние на динамику нейронных ансамблей в неповрежденном мозге? А в срезах? И если да, то как?..

Мы провели эксперимент, в ходе которого при очень высоком давлении, когда эффекты анестезии были полностью инвертированы (32 атмосферы), к нашему удивлению, нейронный ансамбль в срезе мозга значительно увеличился, что указывает на коллективную активность гораздо большей популяции нейронов.[88]88
  Wlodarczyk, A., McMillan, P. F.&Greenfield, S. A. 'High pressure effects in anaesthesia and narcosis'. Chemical Society Reviews, 35, 890–8 (2006).


[Закрыть] Это заставляет нас утвердиться в идее, что между функционированием нейронных ансамблей и глубиной сознания существует некая корреляция. Экспериментальные условия, которые резко изменяют состояние сознания, так же кардинально изменяют активность ансамблей в определенной области мозга.,[89]89
  Аналогичные эффекты могут возникать и на уровне отдельной клетки. Они хорошо описаны в работах Д. Уайта и Г. X. Гуландса в конце 1960-х и начале 1970-х годов. White, D. С.&Halsey, М. J. 'Effects of changes in temperature and pressure during experimental anaesthesia'. British Journal of Anaesthesia, 46, 196–201 (1974).


[Закрыть][90]90
  Alkire et al., 1999.


[Закрыть] Следующий этап – проверить эффекты анестетиков в более естественных условиях.

С этой целью мы исследовали эффекты анестезии у живой крысы. Метод исследования подразумевает хирургическое вмешательство, поэтому очевидно, что животное должно находиться под воздействием анестезии на протяжении всего эксперимента. Однако благодаря умению регулировать ее глубину, мы можем сравнить поверхностные уровни анестезии с гораздо более глубокими. Оказалось, что в мозге крысы в ответ на раздражение формируется ансамбль, размер которого значительно больше в условиях слабой анестезии по сравнению с ее наиболее глубокими стадиями.[91]91
  Devonshire et al., 2010.


[Закрыть] По мере увеличения дозы анестетика размер ансамбля уменьшается.

Кроме того, скорость генерации ансамбля выше в условиях легкой анестезии. И наконец, отмечается эффект увеличения продолжительности сетевой активности – точно такой же, как мы видели ранее в экспериментах на срезах: под воздействием наиболее глубокой анестезии возбуждение, вызванное отклонением вибриссы, поддерживается значительно дольше, что, в свою очередь, препятствует формированию новых ансамблей.

Таким образом, мы можем заключить, что нейронные ансамбли каким-то образом связаны с сознанием по ряду причин: во-первых, они в большей степени подвержены воздействию анестезирующих средств, чем анальгетиков;[92]92
  Collins et al., 2007.


[Закрыть] во-вторых, они чувствительны к экстремально высоким значениям давления, что коррелирует с эффектом «обратной анестезии»,[93]93
  Wlodarczyk, McMillan&Greenfield, 2006.


[Закрыть] и, наконец, они отражают различную глубину анестезии.[94]94
  Devonshire et al., 2010.


[Закрыть]

Однако попытка собрать воедино эти три совершенно разных экспериментальных вывода пока была бы преждевременна: нам следует провести больше наблюдений в течение дня, прежде чем мы попытаемся вывести какую-либо всеобъемлющую теорию. Тем не менее мы уже нашли несколько кусочков пазла.

Динамика ансамблей и эффекты анестетиков могут хорошо коррелировать, но эта корреляция сама по себе – далеко не показатель глубины сознания. Тем не менее анестезиолог Брайан Поллард и его команда в Манчестерском университете[95]95
  Bryan, A. et al. 'Functional electrical impedance tomography by evoked response: a new device for the study of human brain function during anaesthesia'. Proceedings of the Anaesthetic Research Society Meeting, 428–9 (2010).


[Закрыть] самостоятельно разработали методику, еще раз подтверждающую наличие взаимосвязи между нейронными ансамблями и сознанием. Это функциональная электроимпедансная томография по реакции отклика (fEITER). Экспериментальная установка посылает в мозг электрический стимул, а затем регистрирует импеданс. Временное разрешение метода составляет около 500 микросекунд, что в 2 раза превосходит разрешение в VSDI![96]96
  Там же.


[Закрыть] В то время как оптический имиджинг с потенциал-чувствительными красителями неприменим в исследованиях живого человеческого мозга, методика Брайана Полларда открывает потрясающие перспективы.

Просто чтобы прояснить, к чему все это. Я предполагаю, что переходные конфигурации крупномасштабных нейронных ансамблей по всему объему мозга коррелируют с различными градациями сознания в каждый момент времени. Если эта теория окажется верной, наблюдения и манипуляции с ансамблями выведут нас на новый уровень исследования психических феноменов, от понимания которых на данный момент мы далеки.

Представьте, будто градации сознания – это круги на воде, появляющиеся вокруг брошенного в нее камня. Представьте, что вы бросаете камень в лужу, поверхность которой и без того играет мелкой рябью от ветра. Несмотря на эту рябь, от вашего камня расходятся четкие ровные круги: сам камень является постоянным или квазипостоянным – во всяком случае, определенным стабильным объектом. Он относительно невелик, но возмущение, которое он вызывает сейчас, непропорционально велико, в противоположность тому, что камень квазипостоянный, а возмущение кратковременно.

Размер ансамбля и, следовательно, состояние сознания в любой момент времени будет определяться целым рядом различных факторов. Например, ансамбли могут варьировать по размеру от одного момента к другому в зависимости от силы триггера, а также в соответствии с той легкостью, с которой синхронизируются нейроны, что, в свою очередь, зависит от доступности модулирующих химических веществ. Но наше сознание подчинено не одним лишь рефлекторным реакциям и первобытным чувствам. Поэтому не меньшее значение имеют другие факторы, которые в нужный момент определяют подходящую конфигурацию ансамбля.

Самое главное – это сам камень и сила, с которой он будет брошен, а именно сила психофизической стимуляции и нейроны, при одновременной активности образующие локализованные устойчивые соединения, которые мы можем рассматривать как своего рода «нейронный камень».

Опять же, сами по себе такие узлы прочных нейронных связей были бы слишком статичными и даже медленными, чтобы одним своим существованием породить динамичное сознание. Тем не менее именно такая локализованная и устойчивая связь будет соответствовать модели «камней» разной величины. Что тогда было бы феноменологическим эквивалентом большого или маленького камня, обширного или миниатюрного нейронного ансамбля? Анализируя день из своей жизни, мы можем начать выяснять это. За окном уже совсем светло. Пора вставать.