Во время сна сенсорные стимулы редко воспринимаются сознательно и вызывают поведенческие реакции. Тем не менее это не значит, что мозг не производит их обработку. Исследователи из Тель-Авивского университета определили, что мозг реагирует на аудиостимулы во сне почти так же сильно, как и во время бодрствования. Результаты исследования, опубликованного в Nature Neuroscience, могут дать ключ к ответу на великую научную загадку – как бодрствующий мозг преобразует сенсорную информацию в сознательный опыт.
У человека, находящегося в состоянии бодрствования, можно довольно отчетливо наблюдать ответ на подаваемый извне сенсорный стимул. Но предъявление того же стимула во время сна не приведет к появлению какой-либо поведенческой реакции. До сих пор нет детальных данных о том, как и в какой степени сон влияет на активность сенсорных путей в головном мозге.
Ранее полагалось, что естественный сон ограничивает эффективную передачу информации в сенсорную кору. Однако недавние исследования сообщают о наличии схожих реакций на стимулы во время сна и бодрствования у животных. Изучение того же явления на людях проводилось только с использованием методов магнитоэнцефалографии (МЭГ), функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и электроэнцефалографии (ЭЭГ), которые имеют множество ограничений, препятствующих получению чистых данных.
Команде исследователей Тель-Авивского университета посчастливилось использовать в своем исследовании более продвинутый и редко применяемый метод регистрации активности головного мозга – имплантированные внутричерепные электроды. Преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет в высоком разрешении отслеживать изменения активности головного мозга вплоть до отдельных нейронов. Именно его использование делает данный эксперимент уникальным. С его помощью исследователи смогли подробно изучить реакцию головного мозга на звуковой стимул во сне и попытались дать ответ на один из важнейших нерешенных вопросов современной науки – какая именно активность мозга уникальна для сознания и позволяет нам воспринимать происходящее вокруг во время бодрствования.
В исследовании приняли участие 13 добровольцев, в мозг которых в медицинских целях ранее были имплантированы внутричерепные электроды. Испытуемым периодически предъявляли слуховые стимулы – щелчки, звуки, музыку, слова и предложения – через прикроватный динамик, когда участники бодрствовали и когда спали. Затем исследователи сравнили активность в разных областях мозга во время бодрствования и на разных стадиях сна. В общей сложности команда в течение 8 лет собрала данные с более чем 713 единичных нейронов, примерно по 55 нейронов у каждого пациента.
Ранее считалось, что во время сна звуковые сигналы быстро затухают, достигнув коры головного мозга. Однако исследователям удалось выявить отчетливую нейронную активность в верхнем гамма-ритме (80-200 Гц) во время разных фаз сна. При этом активность мозга по всем признакам оказалась почти столь же сильной, как и во время бодрствования. Тем не менее в реакции мозга наблюдалось одно важное исключение – не совпадал уровень активности альфа-бета-волн.
Исследователи объясняют, что альфа-бета-волны (10–30 Гц) связаны с процессами внимания и ожидания, которые реализуются за счет явления обратной связи. Когда сигналы идут «снизу-вверх», то есть от органов чувств к высшим отделам нервной системы, в то же время происходит и движение «сверху-вниз». Таким образом, осуществляется непрерывный обмен информацией между участками нервной системы и ее постоянное обновление.
Высшие центры мозга, исходя из накопленной информации, инструктируют сенсорные области о том, на каком входе нужно сосредоточить внимание, а что следует игнорировать. Так, например, когда в ухо поступает определенный звук, высшие центры могут «сказать», знаком ли он или совершенно новый и заслуживает ли он внимания. Такого рода активность мозга проявляется в подавлении альфа-бета-волн. Согласно текущему исследованию, сила альфа-бета-волн представляет собой основное отличие реакции мозга на слуховые сигналы в состоянии бодрствования и сна.
Результаты, полученные в обсуждаемом исследовании, можно безусловно назвать научным прорывом. Теперь у будущих исследователей в этой области есть четкая количественная мера — первая в своем роде — для оценки осознания человеком входящих звуков. Авторы исследования надеются на то, что в дальнейшем с помощью неинвазивных методов мониторинга (например, ЭЭГ), можно будет точно оценить состояние сознания человека в различных ситуациях.
Так, по их словам, станет возможной проверка действенности наркоза, мониторинг сознания людей с деменцией. Кроме того, станет доступным определение того, действительно ли человек, предположительно находящийся в коме и неспособный общаться, не осознает свое окружение. В таких случаях низкие уровни альфа-бета-волн в ответ на звук могут указывать на то, что человек в таком состоянии на самом деле может воспринимать и понимать слова, которые звучат вокруг него.
Текст: Анна Удоратина
Reduced neural feedback signaling despite robust neuron and gamma auditory responses during human sleep by Hanna Hayat et al. Nature Neuroscience. Published July 2022
