В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience, ученые из Тель-Авивского университета (Tel-Aviv University) обнаружили, как бодрствующий мозг преобразует сенсорную информацию в сознательный опыт.
Материалы и методы исследования
Исследование основывалось на данных, собранных с электродов, имплантированных в медицинских целях глубоко в мозг человека. Эта информация была использована для изучения различий между реакцией коры головного мозга на звуки во сне и бодрствованием при разрешении одиночных нейронов.
Как бодрствующий мозг преобразует сенсорную информацию в сознательный опыт
Исследователи 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 входу и связанными с ним ожиданиями. Это означает, что во время сна мозг анализирует слуховой ввод, но не может сфокусироваться на звуке или идентифицировать его, и поэтому сознательное осознание не возникает.
Автор исследования Юваль Нир (Yuval Nir) прокомментировал: «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 мы смогли использовать специальную медицинскую процедуру, в ходе которой электроды были имплантированы в мозг пациентов с эпилепсией для мониторинга активности в различных областях мозга в целях диагностики и лечения. Пациенты вызвались помочь изучить реакцию мозга на слуховую стимуляцию в бодрствовании по сравнению со сном».
Исследователи разместили динамики, излучающие различные звуки, у постели пациентов и сравнили данные с имплантированных электродов — нейронную активность и электрические волны в разных областях мозга — во время бодрствования и на разных стадиях сна. В общей сложности ученые собрали данные с более чем 700 нейронов, примерно по 50 нейронов у каждого пациента, в течение 8 лет. По словам ученых, после поступления звуков в ухо сигналы передаются от одной станции мозга к другой. До недавнего времени считалось, что во время сна эти сигналы быстро затухают, достигнув коры головного мозга. Изучив данные с электродов, мы с удивлением обнаружили, что реакция мозга во время сна была намного сильнее и богаче, чем мы ожидали. 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, по всем признакам, кроме одного, где было зафиксировано резкое различие: уровень активности альфа-бета-волн.
Исследователи объясняют, что альфа-бета-волны (10-30 Гц) связаны с процессами внимания и ожидания, которые контролируются обратной связью из высших областей мозга. Когда сигналы идут «снизу вверх» от органов чувств к высшим областям, происходит и движение «сверху вниз»: высшие области, полагаясь на предварительную информацию, накопленную в мозгу, действуют как проводники, посылая сигналы вниз инструктируют сенсорные области, на каком входе сосредоточить внимание, что следует игнорировать и т. д. Так, например, когда в ухо поступает определенный звук, высшие области могут сказать, является ли он новым или знакомым и заслуживает ли он внимания или нет. Такого рода активность мозга 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 отличием реакции мозга на слуховые сигналы в состоянии бодрствования и сна.
Авторы другого исследования утверждают, что воздействие света во время сна у пожилых людей связано с ожирением, диабетом и артериальной гипертонией.
