Ученые давно предполагали, что сознание возникает из координированных действий нейронов мозга. Они предложили множество гипотез, однако ни одна из них не отвечает прямо на более трудный вопрос: каковы условия возникновения сознания в мозге?
Работа американских нейробиологов сочетает классическую физику, в частности, некоторые законы термодинамики, с современными достижениями биологии мозга.
Они описали генеральный принцип, благодаря которому изменения в свободной энергии — количестве энергии, доступной внутри системы — помогают временно синхронизировать активность нейронных сетей, пишет EurekAlert.
Во время состояний осознанности мозг должен активно интегрировать и обособлять информацию различных органов чувств, и потреблять больше энергии, чем в бессознательном состоянии. Изучив записи нейронной активности пациентов во время бодрствования, сна, комы и припадков, ученые обнаружили, что энтропия во время сознательных фаз выше, чем в остальных состояниях. В данном случае они определили энтропию как число конфигураций синхронизированных, или связанных, нейронных сетей.
Чем больше нейронов связано между собой, тем больше рассеивается энергии, объяснили ученые.
Модели, созданные ими и использующие уравнения термодинамики, показывают, что в здоровом и осознанном состоянии мозг обладает большей тенденцией к рассеиванию энергии.
Однако вопрос не только в том, сколько свободной энергии есть в мозге. Каждое крупное состояние состоит из множества микросостояний. В осознанном режиме мозг обладает оптимальным числом соединенных нейронных сетей, и большое количество микросостояний поддерживает это состояние. Наоборот, в бессознательном состоянии слишком много соединенных между собой нейросетей, а микросостояний меньше — таким образом, меньше энтропия и выше уровень свободной энергии, что приводит к дисфункции мозга.
«Поддержание здоровых состояний мозга — это не вопрос общего количества энергии в мозге, а скорее того, как эта энергия организована», — пишут авторы.
По их гипотезе, когда нейроны гиперактивны, это приводит к аномально высокой синхронности, которая либо слишком долго продолжается, либо захватывает слишком обширные регионы мозга. Другими словами, мозг нарушает слишком стабильные состояния. В итоге энтропия мозга снижается, как и способность формировать различные паттерны мозговой активности. То есть у него становится меньше микросостояний, что приводит к меньшему числу конфигураций нейросетей, что препятствует обычной способности мозга быстро адаптироваться к внешним воздействиям.
Предложенный принцип позволяет отделить здоровые и осознанные состояния мозга от бессознательных. Ученые надеются, что их подход можно будет использовать для того, чтобы еще больше пролить свет на вопрос, что происходит, когда возникают нарушения сознания, например, во время эпилептических припадков.
В начале года ученые сообщили о прорыве в области нейробиологии — у них впервые появилась возможность отследить, как в мозге появляется осознанность. Для этого они прибегли к функциональной магнитно-резонансной томографии.