Исследование основывалось на данных, собранных с помощью электродов, имплантированных в медицинских целях глубоко в человеческий мозг. Эта информация была использована для изучения различий между реакцией коры головного мозга на звуки во время сна и бодрствования при разрешении отдельных нейронов.
«Мы были удивлены, обнаружив, что реакция мозга на звук остается сильной во время сна по всем параметрам, кроме одного: уровня альфа-бета-волн, связанных с вниманием к слуховому сигналу и связанными с ним ожиданиями. Это означает, что во время сна мозг анализирует слуховой сигнал, но не может сосредоточиться на звуке или идентифицировать его, и поэтому сознательного осознания не происходит», — сообщает группа экспертов под руководством доктора Ханны Хаят и при активном участии доктора Амита Мармельштейна из лаборатории проф. Юваль Нир из медицинского факультета, Школы неврологии Сагола и факультета биомедицинской инженерии под руководством проф. Ицхак Фрид из Медицинского центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Статья была опубликована в журнале Nature Neuroscience.
Это исследование уникально тем, что оно основано на редких данных с электродов, имплантированных глубоко в человеческий мозг, что позволяет осуществлять мониторинг электрической активности мозга с высоким разрешением, вплоть до уровня отдельных нейронов. По понятным причинам электроды не могут быть имплантированы в мозг живых людей только ради научных исследований. Но в этом исследовании ученые смогли использовать специальную медицинскую процедуру, в ходе которой электроды были имплантированы в мозг пациентов с эпилепсией, контролируя активность в различных частях их мозга в целях диагностики и лечения. Пациенты вызвались помочь изучить реакцию мозга на слуховую стимуляцию в бодрствовании и во сне.
Исследователи разместили у постели пациентов динамики, издающие различные звуки, и сравнили данные с имплантированных электродов — нейронную активность и электрические волны в разных областях мозга — во время бодрствования и на различных стадиях сна. В общей сложности команда собрала данные из более чем 700 нейронов, около 50 нейронов у каждого пациента, в течение 8 лет.
Доктор Хайя говорит, что после того, как звуки поступают в ухо, сигналы передаются от одной станции к другой в мозге. До недавнего времени считалось, что во время сна эти сигналы быстро затухают, как только они достигают коры головного мозга. Но, просмотрев данные с электродов, было обнаружено, что реакция мозга во время сна была намного сильнее и насыщеннее, чем ожидалось. Более того, эта мощная реакция распространилась на многие области коры головного мозга. Сила реакции мозга во время сна была аналогична реакции, наблюдаемой во время бодрствования, во всех отношениях, кроме одной специфической особенности, где была зафиксирована существенная разница: уровень активности альфа-бета-волн.
Исследователи объясняют: «Альфа-бета-волны (10-30 Гц) связаны с процессами внимания и ожидания, которые контролируются обратной связью из высших областей мозга. Высшие области, опираясь на предыдущую информацию, которая накопилась в мозге, действуют как руководство, посылая сигналы вниз, чтобы указать сенсорным областям, на каком входе сосредоточиться вкл., который следует игнорировать и т.д. Так, например, когда определенный звук воспринимается ухом, высшие области могут определить, является ли он новым или знакомым, и заслуживает ли он внимания или нет. Этот вид мозговой активности проявляется в подавлении альфа-бета-волн, и действительно, предыдущие исследования показали высокий уровень этих волн в состояниях покоя и анестезии».
Согласно текущему исследованию, сила альфа-бета-волн является основным различием между реакцией мозга на слуховые сигналы в состоянии бодрствования и сна.
Эти результаты дают важный ключ к древней, завораживающей загадке: в чем секрет сознания? Что такое «Х-фактор», активность мозга, которая уникальна для сознания, позволяя нам осознавать вещи, происходящие вокруг нас, когда мы бодрствуем, и исчезающие, когда мы спим? В этом исследовании ученые обнаружили новую зацепку, и в будущих исследования намерены продолжить изучение механизмов, ответственных за это различие.
Ученые полагают, что в будущем, благодаря усовершенствованным методам измерения альфа-бета-активности мозга волны и неинвазивные методы мониторинга, такие как ЭЭГ, позволят точно оценить состояние сознания человека в различных ситуациях: проверка того, что пациенты остаются без сознания на протяжении всей хирургической процедуры, мониторинг сознания людей с деменцией или определение того, находится ли предположительно находящийся в коме человек, неспособный общаться, в состоянии по-настоящему не осознает своего окружения. В таких случаях низкие уровни альфа-бета-волн в ответ на звук могут свидетельствовать о том, что человек, считающийся бессознательным, на самом деле может воспринимать и понимать слова, произносимые вокруг него.
«Мы надеемся, что наши результаты послужат основой для разработки новых эффективных методов измерения уровня осведомленности людей, которые предположительно находятся в различных бессознательных состояниях», — подытожили исследователи.