Нейрон с дендритами и синапсам
Нейроны действуют сообща, в виде чрезвычайно сложной сети. Ее сложность предусматривает высокий уровень интеграции (взаимного сотрудничества) и дифференциации (взаимных различий). Это означает, что существует система различных нейронных сетей (субсистем), которые и динамически связаны, и вместе с тем дифференцированы [13]. Результат – «организованный хаос». Подобные процессы известны под названием самоорганизующейся системы, производящей паттерны и структуры, взаимодействующие с их окружением, но не поддающиеся прямому воздействию внешних факторов. Наглядный пример самоорганизации – водоворот в потоке воды, где форма воронки водоворота определяется скоростью потока и объемом воды, но сам водоворот остается стихийным и саморегулирующимся.
Подобную самоорганизацию мы обнаруживаем в электрических явлениях мозга. Нейроны взаимодействуют посредством изменения напряжения, высвобождающего нейромедиаторы в синапсах, или соединениях между клетками. Совокупное изменение напряжения создает постоянно меняющиеся электрические поля [14]. Это приводит также к постоянным колебаниям магнитных полей вдоль одновременно активирующихся дендритов – так называются разветвленные отростки нейронов. Во время каждого вида активности в мозге все электрические и магнитные паттерны миллионов или миллиардов нейронов меняются каждую миллисекунду. Но ни количество нейронов, ни точная форма дендритов, ни отдельно взятые электрические паттерны конкретных нейронов, по-видимому, не играют решающей роли в обмене информацией. Вместо этого обмен обуславливают постоянно меняющиеся, вызванные самоорганизацией паттерны электромагнитных полей, формирующихся вдоль дендритов специализированных нейронных сетей.
Влияние электромагнитной активности на функции мозга
Постоянные изменения электромагнитного поля в мозге и вокруг него фиксируются с помощью ЭЭГ, по которой можно даже сделать выводы об электрической активности сердца (ЭКГ). Далее возникает вопрос о том, какую роль электромагнитная активность нейронных сетей может играть в работе мозга и в воспринимаемом сознании. Помехи для электромагнитного поля мозга, по-видимому, оказывают влияние на функции мозга, так как несколько исследований показали явные изменения в функционировании нейронных сетей при воздействии внешних магнитных или электрических полей, направленном на мозг. Содействие или препятствование работе нейронных сетей посредством электрической или магнитной стимуляции позволяет изучать функции этих сетей и в то же время порой вызывает определенный опыт разума и могут обладать терапевтическим потенциалом.
Магнитная стимуляция
Когда воздействие магнитных полей направлено на мозг, как при транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС, см. рис. на с. 236), оно может, в зависимости от продолжительности и силы примененной магнитной энергии, либо возбуждать, либо подавлять активность определенных участков мозга. Таким образом, направленные магнитные поля способны вызывать временное возбуждение или подавление местных функций мозга, влияя на постоянно меняющиеся электромагнитные поля нейронов, иногда дольше, чем оказывается воздействие, но, по-видимому, без каких-либо длительных последствий [15]. В итоге транскраниальная магнитная стимуляция позволяет составить карту функций конкретных участков коры головного мозга. Функции небольших участков коры можно изучить в течение миллисекунд, что дает ученым возможность исследовать вклад нейронных сетей коры головного мозга в специфические когнитивные функции.
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС)
Но при высокой интенсивности ТМС может также вызвать временное нарушение функций мозга. Прерывание электромагнитных процессов в коре головного мозга может сопровождаться мгновенным нарушением зрения или опыта физического движения. Стимулирование затылочных долей с центром обработки зрительной информации может вызвать временную слепоту. По-видимому, существует прямая связь между наличием электромагнитного поля и функционированием нейронной сети. Потеря этого поля вызывает потерю функций.
Электрическая стимуляция
Электростимуляция местных нейронных сетей также нарушает нормальное функционирование мозга, что описали в 1958 году нейрохирург Уайлдер Пенфилд и в 2004 году – нейробиолог Олаф Бланке. Местная электростимуляция иногда провоцировала у пациентов с эпилепсией видения образов из прошлого (но панораму жизни – никогда), вспышек света, звуков и (очень редко) ощущение отделенности от тела. Этот искусственно вызванный опыт никогда не бывал тождественным типичному ОСО или внетелесному опыту с подтверждаемыми элементами, а также не вызывал изменений жизни. Применение слабой электроэнергии иногда или не вызывает никакого эффекта, или дает стимулирующий эффект, к примеру, в случае стимуляции двигательной коры, отчего конечности пациента непроизвольно двигаются. Но во время стимуляции с более высоким уровнем энергии электромагнитные поля самого пациента исчезают, приводя к потере функций стимулируемого участка коры. Опять-таки потеря электромагнитного поля влечет за собой потерю функций [16].
Терапевтический эффект
Применение местной и направленной электроэнергии, воздействующей на мозг, также может оказывать длительный терапевтический эффект и функциональные изменения в некоторых участках мозга, и в конечном итоге – приводить к различному опыту, связанному с разумом. Изменение электромагнитного поля вызывает изменения функций. Если эффект транскраниальной электростимуляции (ТЭС), подобно эффекту ТМС, кратковременный, то транскраниальная стимуляция постоянным током (ТСПТ, или микрополяризация) вызывает перманентные функциональные изменения в некоторых областях мозга, так как воздействует на его кору [17]. Это явление можно использовать, чтобы помочь пациентам с тяжелой депрессией, не поддающейся лечению антидепрессантами. Состояние мозга, соответствующее большому депрессивному расстройству, у таких устойчивых к терапии пациентов было продемонстрировано с помощью сканов фМРТ и ПЭТ, показывающих, что некоторые участки мозга (такие как субгенуальная поясная кора) чрезмерно активны, а другие (например префронтальная кора) весьма малоактивны.
Антидепрессанты могут изменить к лучшему эти нарушенные паттерны активности при тяжелой депрессии, но тех же результатов можно добиться с помощью различных видов электротерапии – например электросудорожной терапии (ЭСТ), при которой мощный электрический ток вызывает эпилептический припадок (судороги); стимуляции блуждающего нерва; а с недавних пор – с помощью имплантирования глубинных электродов в гипер– и гипоактивные участки мозга: эта методика известна под названием глубокой стимуляции мозга (DBS) [18]. Точный механизм этого явления неизвестен, однако было обнаружено, что оно дает клинические улучшения, подтвержденные с помощью фМРТ. В недавней статье в Nature рассказывалось о том, как пациент, который провел в коме более шести лет после того, как перенес травматическое повреждение мозга, пришел в себя после глубокой стимуляции таламуса [19].
Направленная магнитная энергия, применяемая при ТМС и магнитной судорожной терапии, иногда достигает столь же положительного эффекта. Но еще примечательнее то, что найдена плацебо-терапия, обеспечивающая те же неврологические улучшения в мозге [20]. Таким образом, вера в получение надлежащего лечения оказывает на функции мозга такое же воздействие, как медикаментозная, электрическая или магнитная стимуляционная терапия. Подробнее о том, как разум и психика могут повлиять на функции мозга, говорится далее в разделе, посвященном нейропластичности.
Исследования сознания с применением ТМС
В недавнем исследовании, статью о котором опубликовали в Science, к сочетанию ТМС и электроэнцефалографии (ЭЭГ) высокой плотности обратились для того, чтобы выяснить, могут ли изменения в коре головного мозга играть роль в потере сознания во время глубокого сна без сновидений (без БДГ), пока мозг остается активным [21]. У людей не остается воспоминаний об этой фазе глубокого сна, в то время как сновидения, относящиеся к БДГ-фазе сна, они помнят. Несмотря на измеримую активность мозга, обычно люди не испытывают состояния сознания во время фаз сна без БДГ.
Исследования показали, что во время такого глубокого сна без сновидений начальная реакция на ТМС была обостренной, но сигнал быстро угасал в нескольких миллиметрах от темени. Электромагнитный сигнал не распространялся за пределы участка стимуляции. В то же время когда аналогичное исследование проводили в дневное время, в состоянии бодрствования, за начальной реакцией (15 миллисекунд) последовал ряд волн, распространившихся на другие области коры и некоторые глубинные структуры, удаленные на расстояние нескольких сантиметров. В исследовании был сделан вывод, что несмотря на электромагнитную активность в мозге во время глубокого сна, связь между разными областями коры головного мозга нарушается. Эти разрывы связи между нейронными сетями вызывают потери сознания. Но когда связи между разными участками коры головного мозга и между корой и таламусом функционируют исправно, обмен информацией возможен благодаря свойствам интеграции и дифференциации системы. По-видимому, такой обмен информацией является одним из условий наличия сознания [22].
Последнее также было продемонстрировано в исследованиях с применением ПЭТ, чтобы объяснить бессознательное состояние во время общего наркоза, при котором активность мозга фиксируется, но (бодрствующее) сознание отсутствует. Эти исследования, результаты которых были недавно опубликованы в Science и других журналах, также показывают, что функционирующая система связи между различными нейронными сетями и сбор информации являются обязательным условием для наличия (бодрствующего) сознания, поскольку во время общей анестезии работа проводящих путей, – в частности между таламусом и корой головного мозга, – как выяснилось, нарушена [23]. И это непременное условие не соблюдается во время остановки сердца, при общей анестезии и во время глубокой фазы сна.
То, что надлежащая связь внутри мозга необходима для наличия сознания, также было продемонстрировано в ходе исследования с участием людей, которых будили в фазе глубокого сна. Процесс погружения в глубокий сон, который, как показывает ТМС, подразумевает потерю связи между определенными нейронными сетями, при пробуждении развивается в обратном направлении. В упомянутом исследовании изучался порядок, в котором центры мозга вновь активировались после сна в первые пять и в первые двадцать минут после пробуждения. Во время первых пяти минут активность в стволе головного мозга и таламусе усилилась, затем, чуть позднее, то же самое произошло с активностью в префронтальной коре. Авторы исследования сделали вывод, что процесс осознания самого себя и своего окружения после сна опирается на процесс реорганизации в мозге, охватывающий восстановление рабочих связей между вышеупомянутыми центрами. Этим центрам требуется функционировать в виде единой сети, чтобы способствовать опыту сознания [24].
Во время остановки сердца кора головного мозга, таламус, гиппокамп и ствол мозга, а также все связи между ними перестают функционировать, как мы уже видели, и это препятствует информационной интеграции и дифференциации – обязательному условию для связи и вместе с тем – для наличия сознания. Опыт сознания должен быть невозможным во время остановки сердца. Вся измеримая электрическая активность в мозге при этом угасает, все телесные и стволовые рефлексы пропадают. И тем не менее в этот период полной дисфункции некоторые люди испытывают обострение и расширение сознания, известное под названием ОСО.