Куда уходит наше сознание, когда мы засыпаем? В мозге человека впервые записали электрический ритм частотой 30 Гц, отвечающий за бодрствование

Каждую секунду человеческий мозг обрабатывает огромные объемы информации. Мы воспринимаем цвета, слышим звуки, чувствуем прикосновения, думаем и принимаем решения. Но как именно наш мозг переходит из состояния полной отключенности — глубокого сна без сновидений — в состояние активного бодрствования? И что происходит в те моменты, когда мы спим, но при этом видим яркие, реалистичные сны?

Ответы на эти вопросы исследователи ищут на стыке физиологии и физики. Чтобы понять, как мозг управляет нашими состояниями, необходимо изучить процессы, происходящие в его глубоких отделах.

Роль таламуса в работе нервной системы

В самом центре головного мозга расположена область, которая называется таламусом. Это важнейший узел нашей нервной системы. Через таламус проходят практически все сигналы от органов чувств (исключение составляет лишь обоняние), перед тем как попасть в кору больших полушарий. Кора — это внешний слой мозга, где эти сигналы преобразуются в наши сознательные мысли, образы и решения.

Таламус выполняет важнейшую функцию: он определяет, какая именно информация заслуживает внимания коры прямо сейчас, а какую можно проигнорировать. Например, когда человек сосредоточен на чтении книги, таламус подавляет сигналы от фонового шума на улице, чтобы они не отвлекали внимание. Именно эта структура отвечает за переключение режимов работы мозга между сном и бодрствованием.

Изучать работу глубинных отделов мозга живого человека чрезвычайно сложно. Большинство исследований активности мозга проводится с помощью электроэнцефалографии. На голову человека надевают специальную шапочку с датчиками, которые фиксируют электрические сигналы коры.

Однако этот метод имеет серьезные физические ограничения. Кости черепа, кожа и мозговые оболочки ослабляют электрические сигналы, идущие из глубины мозга. Они пропускают на поверхность только медленные волны. Увидеть с помощью обычной электроэнцефалограммы, что происходит внутри таламуса, практически невозможно. Для этого необходим прямой доступ к нервным клеткам этой области.

Уникальный эксперимент с участием пациентов

Возможность зарегистрировать электрические сигналы напрямую из таламуса человека появляется в медицинской практике крайне редко. Немецкие специалисты из Мюнхена смогли провести такое исследование благодаря участию 17 добровольцев.

Все эти люди страдали тяжелой формой эпилепсии. При этом заболевании в мозге возникают аномальные электрические разряды, которые приводят к судорожным приступам. В случаях, когда обычные противосудорожные медицинские препараты не помогают справиться с болезнью, врачи используют хирургический метод лечения. Они вводят в глубокие структуры мозга пациента тончайшие электроды.

Эти электроды подключаются к нейростимулятору — прибору, который вживляется под кожу в области ключицы. Прибор отправляет слабые электрические сигналы в мозг, подавляя судорожную активность в самом начале ее возникновения. Этот метод лечения называется глубокой стимуляцией мозга.

В период подготовки пациентов к лечению электроды уже были введены в мозг, но еще не подключены к постоянному стимулятору. В этот короткий промежуток времени исследователи получили разрешение записать естественные электрические сигналы, проходящие через таламус пациентов. Запись велась непрерывно в течение долгого времени, пока люди спали, общались, читали или отдыхали днем. В результате ученые собрали уникальный объем данных — в среднем по 40 часов записей на каждого пациента.

Открытие ритма частотой 28-34 герца

Работа нашей нервной системы основана на передаче слабых электрических импульсов между клетками мозга. Когда миллионы нервных клеток работают одновременно и синхронно, они создают электрические волны. Ученые называют их ритмами головного мозга.

Частота этих волн измеряется в герцах — количестве колебаний за одну секунду. Физиологам давно известно, что разным состояниям человека соответствуют разные частоты. Медленные волны (от 1 до 4 колебаний в секунду) преобладают во время глубокого сна. Более быстрые волны регистрируются в моменты активного мышления или концентрации внимания.

Проанализировав прямые записи из таламуса пациентов, авторы исследования обнаружили новый, ранее неизвестный ритм. Это были быстрые электрические колебания в диапазоне от 20 до 45 герц. Чаще всего прибор регистрировал стабильную частоту в районе 28-34 колебаний в секунду.

Этот ритм вел себя строго определенным образом в зависимости от состояния человека:

• Он непрерывно регистрировался во время бодрствования, когда человек бодрствовал и реагировал на внешние раздражители.
• Он сохранялся в фазе быстрого сна, когда человек спал, но видел сны.
• Он полностью исчезал, когда человек погружался в глубокий сон без сновидений.

В моменты глубокого сна этот ритм сменялся медленными электрическими волнами частотой от 11 до 17 герц, которые ученые называют сонными веретенами.

Единый источник двух разных состояний

Ученые провели детальный статистический анализ структуры вспышек обнаруженного быстрого ритма и медленных волн глубокого сна. Они сравнили их амплитуду (высоту электрической волны) и длительность. Результаты показали очень сильную математическую взаимосвязь между этими параметрами.

Это означает, что оба ритма — и медленный ритм глубокого сна, и быстрый ритм бодрствования — создаются одними и теми же нервными клетками таламуса. Физиологический механизм их работы одинаков. Разница заключается лишь в химической среде, которая окружает клетки в разные моменты времени.

Когда человек засыпает глубоким сном, в мозге вырабатываются определенные химические вещества, подавляющие активность нервной системы. Под их влиянием клетки таламуса начинают генерировать медленные колебания частотой 11-17 герц. Эти медленные волны физически блокируют прохождение сигналов от органов чувств в кору полушарий. В результате человек не реагирует на слабые звуки или свет, и его сон остается стабильным.

Когда человек просыпается или переходит в фазу сновидений, в мозг выбрасываются другие химические вещества, например, ацетилхолин. Эти вещества заставляют те же самые клетки таламуса мгновенно увеличить частоту генерации импульсов до 28-34 герц. В этом режиме таламус становится полностью проницаемым для информации. Сигналы могут свободно проходить в кору больших полушарий.

Связь с движениями глаз во время сновидений

Фаза быстрого сна характеризуется тем, что человек видит сны. В этот период его глазные яблоки начинают совершать быстрые движения под закрытыми веками. Это явление напрямую связано с тем, что человек в этот момент наблюдает за объектами в своем сновидении.

Мюнхенские исследователи решили проверить, как связан открытый ими ритм таламуса с этими движениями глаз. С помощью электродов, закрепленных на лице пациентов вокруг глаз, они фиксировали каждое движение глазных яблок во время сна.

Выяснилось, что активность быстрого ритма частотой 28-34 герца резко возрастает именно в те секунды сна, когда человек начинает совершать движения глазами. Это прямое доказательство того, что во время сновидений таламус работает в том же режиме, что и при реальном бодрствовании. Он активно передает информацию в кору, заставляя человека воспринимать образы сна как реальные события.

Значение для лечения нарушений сознания

Исследователи сопоставили данные магнитно-резонансной томографии (МРТ) каждого пациента с точным расположением электродов в мозге. Это позволило установить, какая именно зона таламуса генерирует обнаруженный быстрый ритм.

Этой зоной оказался центральный таламус. Данная область имеет ключевое значение для клинической медицины. Именно центральный таламус отвечает за поддержание общего уровня активности головного мозга и активацию коры.

В современной медицине метод глубокой стимуляции центрального таламуса пытаются использовать для восстановления сознания у людей, которые находятся в коме, вегетативном состоянии или состоянии минимального сознания после тяжелых черепно-мозговых травм, инсультов или кислородного голодания мозга. Врачи вводят электроды в мозг таких пациентов и подают на них электрический ток, чтобы стимулировать работу нервных клеток и вернуть человека к сознанию.

До сих пор результаты таких операций оставались нестабильными. У одних пациентов наблюдалось значительное улучшение состояния, в то время как другие не реагировали на стимуляцию. Результаты исследования мюнхенских нейробиологов объясняют причины этих неудач.

Ранее параметры электрического тока для стимуляции подбирались без учета естественных физиологических ритмов этой зоны мозга. Врачи подавали сигналы на частотах, которые не соответствовали природной активности таламуса бодрствующего человека.

Теперь, когда ученые знают, что естественная рабочая частота центрального таламуса в состоянии сознания составляет 28-34 герца, параметры стимуляторов можно перенастроить. Подача электрических импульсов на естественной частоте мозга позволит существенно повысить эффективность восстановления пациентов с тяжелыми повреждениями головного мозга.

Новое понимание природы сознания

Долгое время в научном сообществе преобладало мнение, что сознание — это результат работы исключительно коры больших полушарий. Однако новые данные показывают, что кора не может нормально функционировать без постоянной поддержки из глубинных структур. Центральный таламус вырабатывает базовый электрический ритм определенной частоты, который координирует работу всей остальной нервной системы.

Если этот ритм нарушается или полностью исчезает, человек теряет сознание, засыпает или впадает в кому. Если же ритм работает стабильно, кора больших полушарий получает необходимую электрическую активность для обработки мыслей, эмоций, воспоминаний и восприятия окружающего мира.

В дальнейшем результаты этого исследования могут помочь в изучении причин различных психических расстройств, нарушений сна и механизмов работы памяти. Научная работа доказывает, что даже самые сложные функции человеческого разума подчиняются строгим законам физиологии головного мозга.

Источник: bioRxiv