Изучение фазы длинного сна подтверждает голографическую теорию сознания

Глубокий сон, когда сознание «исчезает», и бодрствование, когда оно «возвращается», — два режима функционирования мозга, сопоставляя которые можно приблизиться к решению одной из сверхзадач нейропсихологии — понять процессы, отвечающие за формирование сознания.

Так, связь между сновидениями и фазой быстрого сна (а именно на нее, как выяснилось, приходится наибольшее число снов, которые мы помним), открытая в начале 50-х годов прошлого века в одной из лабораторий Чикагского университета, стала одним из излюбленных объектов изучения нейропсихологов (особенно европейских), так как в ней парадоксально сочетаются характеристики глубокого сна, когда мозг функционирует как «черный ящик» с выключенными каналами входа/выхода, и ЭЭГ-активность, свойственная бодрствующему мозгу.

Между тем фаза быстрого сна не является в полной мере «бессознательной»: в этой фазе человек может не только осознавать себя, но даже контролировать свое поведение в мире сна. И недавние эксперименты с МРТ-сканированием мозга гипнонавтов, проведенные в Германии и даже позволившие декодировать некоторые элементы сновидений, подтвердили реальность осознанных снов, как бы парадоксально это ни звучало.

Но что происходит с мозгом в фазе медленного сна (ФМС), точнее во второй её стадии, когда сознание отключается, а также в третьей и четвертой (самой глубокой) стадиях этой фазы?

Исследованием ФМС занимается команда разнопрофильных специалистов из лаборатории циклотрона Университета Льежа (Бельгия), Национального института здравоохранения и медицинских исследований при Университете Пьера и Мари Кюри (Париж) и Института гериатрии в Монреале (Канада), чью статью «Иерархическая кластеризация активности человеческого мозга в фазе медленного сна» публикует Proceedings of the National Academy of Sciences.

Авторы статьи сразу отмечают «фундаментальную трудность в определении границ своего исследования» в ситуации, когда отсутствует элементарный консенсус, что именно следует понимать под феноменом «сознания», не говоря о том, благодаря чему этот феномен возникает и удерживается, когда мы не спим. Между тем никакие определения не отменяют факта, что в фазе медленного сна сознание, что бы мы под ним ни понимали, либо сильно подавлено, либо отсутствует — в полную противоположность бодрствованию.

Возможно, что, сравнивая эти два режима, можно приблизиться к пониманию того, как именно формируется сознание, понять, чем нейроактивность в фазе медленного сна отличается от режима бодрствования.

Похоже, выбранная методика принесла свои плоды:

результаты исследования вышли довольно парадоксальными, а нейрофизиологическая «машинерия», сопутствующая включению и выключению сознания, более понятной.

Как заявляют авторы, целью исследования было проверить гипотезу нейропсихолога Джулио Тонони о сознании как адаптивной способности мозга динамически интегрировать потоки информации. C помощью нового метода, позволяющего замерять обмен сигналами между группами нейронов на основе данных ЭЭГ и функциональной МРТ, были изучена активность мозга у 13 людей, находившихся в состоянии медленного сна и бодрствования.

В противоположность локально-функциональному подходу, связывающему с сознанием определенные и/или специфически коммутированные структуры головного мозга, интегративная модель Тонони представляет сознание как перманентный динамический процесс связывания нейронов, мгновенно, в течение долей секунды меняющий нейрофизиологическую локализацию (гипотеза «динамического ядра»).

Гипотеза Тонони согласуется с наблюдениями нейропсихолога Александра Лурия (1902–1977), ученика выдающегося русского психолога Льва Выготского (1896–1934), чьи работы сильно повлияли на развитие западной нейропсихологии, и объясняет, например, почему при сильных травматических поражениях мозга может сохраняться память и высшие психические функции. В этом смысле сознание можно сравнить с голограммой, которая не исчезает, даже если отрезать куски от фотопленки, на которой запечатлен кодирующий трехмерное изображение двумерный интерференционный рисунок — паттерн.

Из-за этого сходства интегративную гипотезу сознания иногда еще называют голографической.

В сканировании мозга методы ЭЭГ и ФМРТ имеют каждый свои недостатки и преимущества.

ЭЭГ позволяет отслеживать электрическую активность мозга с миллисекундным разрешением, но плохо справляется с локализацией этой активности. Функциональная МРТ, наоборот, с ювелирной точностью локализует идущие в тканях процессы, но делает это слишком медленно, чтобы представить их в динамике. Комбинируя оба метода с помощью специальной математической модели, авторам статьи удалось проследить, как в течение медленной фазы сна реконфигурируются связи в нейросети мозга — конечно, не на уровне отдельных нейронов (современная технология делать это пока не позволяет), а на уровне групп нейронов (кластеров), — и сравнить данные с картиной, полученной тем же методом в период бодрствования.

Результаты оказались неожиданными.

Выяснилось, например, что во время фазы медленного сна обмен информацией между нейронами существенно возрастает, а не падает. В то же время маршрутизация обмена выглядит иначе в сравнении с периодом, когда человек не спит: во время ФМС обмен сигналами растет между небольшими кластерами нейронов, сгруппированными в каком-нибудь одном участке мозга, в то время как коммуникация с кластерами, расположенными в других участках, падает. Иначе говоря, во время ФМС крупные иерархически организованные нейросети с длинными связями между узлами, связывающими различные участки мозга, разбиваются на более мелкие и независимые модули, сгруппированные по «территориальному» признаку.

Такая модульная топология с преобладанием коротких связей делает интеграцию данных затруднительной, что подтверждает интегративную гипотезу сознания, которое во время ФМС «выключается». В частности, она объясняет, почему сны в длинной фазе запоминаются намного хуже, чем в фазе быстрого сна, когда сознание «включено» (точнее даже говорить «собрано»), а также феномен лунатизма — еще одного специфичного проявления длинной фазы (придя в сознание, лунатики не помнят, что во сне они совершали квазиосмысленные действия).

Дезинтеграция нейросети при переходе ко сну представляет собой серию фазовых переходов между разными конфигурациями нейросвязей, сопровождаемых эволюцией волнового ландшафта мозга с постепенным вытеснением быстрых ритмов более медленными. Эти переходы соответствуют четырем стадиям ФМС — от стадии с преобладанием альфа- и тета-ритмов, к четвертой, самой глубокой стадии медленного сна с преобладанием высокоамплитудных волн с частотой 2 Гц (дельта-волны).

Парадоксально, но если понимать под активностью мозга объем информации, циркулирующей между его субъединицами, то в самой медленной дельта-стадии мозг продолжает оставаться активным, и даже, как показали расчеты, более информационно активным, чем во время бодрствования, за счет реконфигурации нейросети — увеличения числа коротких связей между более мелкими узлами. Во время ФМС продолжается обмен данными в этих локальных «минисетях» мозга, так что совокупный объем обрабатываемой информации не снижается при более низком уровне активности (дельта-ритм).

В свою очередь, другое фазовое состояние мозга — «суперсеть» — соответствует другой топологии нейросети и другой ритмической картине с преобладанием высокочастотных волн, когда мозг начинает обрабатывать сигналы, поступающие извне.

Схематично результаты экспериментов можно представить так: 1) дезинтеграция нейросети — компенсаторное увеличение числа коротких связей между более мелкими группами нейронов — низкая частота колебаний — «сознания» нет; 2) интеграция нейросети — установление длинных связей между более крупными нейрокластерами — увеличение частоты колебаний — «сознание» есть.

Сопоставляя сон и бодрствование, мы продолжаем разделять стадии функционирования мозга на «сознательные» и «бессознательные», но похоже, такие определения условны: мозг никогда не перестает обрабатывать информацию, только происходит это по различным топологическим сценариям связывания нейронов. Похоже, что «сознание», какой бы разный смысл мы ни вкладывали в данное понятие, — это хоть и важный герой, но регулярно и надолго исчезающий со сцены, как бы подчеркивая, что смысл представления (эволюции и функционирования мозга) заключается не только в нем.