Наркоз выключает не мозг, а его способность отправлять сигналы по адресу. Команда из Киотского университета заглянула в кору крысы с помощью сверхтонкой пластины из 116 электродов и увидела: под анестезией нейроны продолжают работать, порой даже активнее, чем в бодрствовании. Но волны электрической активности перестают путешествовать далеко — они застревают там, где родились. Именно это, похоже, и есть физический след исчезающего сознания.

Волны, которые катятся по коре

Идея не нова. Уже десятилетиями нейробиологи подозревают, что сознание требует не только кодирования информации — например, зрительной картинки в затылочной коре, — но и передачи этой информации между удалёнными областями. Мозг должен не просто увидеть вспышку, а «рассказать» о ней всему остальному кортексу. Первая часть гипотезы давно подтверждена: мы умеем наблюдать, как зрительная кора реагирует на изображение. Вторая оставалась шаткой. Никто не мог указать на конкретный физический механизм, который переносит информацию от одного участка коры к другому.

Кайо Мисава, Ютака Комура и их коллеги из Киотского университета решили найти сам носитель. Они предположили, что это бегущие волны — распространяющиеся по поверхности мозга паттерны электрической активности, похожие на круги от брошенного в пруд камня. Чтобы увидеть такие волны, нужен не одиночный датчик, а широкая сеть. Команда построила ультратонкую пластину со 116 каналами, которая накрывала почти всю кору правого полушария крысы.

Дальше — простая схема. Крысе светили светодиодом в левый глаз и следили, как волна бежит по коре. Всего провели 45 сессий: сначала животное бодрствовало с зафиксированной головой, потом его усыпляли изофлураном. Разница оказалась разительной. В бодрствовании волны жили дольше и уходили далеко за пределы зрительных зон — в теменную, височную, слуховую и тактильную кору. Кластерный анализ выявил целый репертуар форм волн, которые встречались только в состоянии бодрствования. Под наркозом та же вспышка порождала короткий сигнал, который оставался в сенсорных областях, где и возник.

Ловушка красивой картинки

Но тут авторы сделали ход, который отличает строгую науку от эффектной демонстрации. Бегущая волна может выглядеть как информация, перемещающаяся по мозгу, — а может быть всего лишь иллюзией. Представьте два узла. В первом случае активность действительно передаётся от узла к узлу, как ведро по цепочке. Во втором узлы вообще не общаются друг с другом, а просто реагируют на один и тот же внешний сигнал, но с разной задержкой. Со стороны обе системы порождают почти неотличимые волновые паттерны. Значит, сама по себе волна ничего не доказывает: вдруг это не коммуникация, а синхронный ответ на общий стимул?

Чтобы отличить одно от другого, исследователи применили трансферную энтропию — меру из теории информации. Она задаёт более жёсткий вопрос: насколько знание прошлого сигнала A уменьшает неопределённость относительно будущего сигнала B? Если A реально передаёт информацию B, то, зная A, мы точнее предскажем B. Если оба просто реагируют на общий вход, такой связи не будет.

Информация с компасом

Здесь живой мозг разошёлся с симуляцией. Учёные выбрали опорный электрод и определили направление бегущей волны как ноль градусов. Затем измерили поток информации от этого электрода к восьми соседним, расположенным под разными углами. Оказалось, поток максимален прямо по курсу — вдоль направления волны — и быстро падает при отклонении в сторону.

Это свойство назвали информационной настройкой. Раньше мозг описывали через то, где находится активность; теперь — через то, совпадает ли направление информационного потока с физическим движением волны. И в бодрствовании кривые настройки были острее: точнее, избирательнее, приверженнее одному направлению. Под наркозом направленная настройка тоже присутствовала — статистически значимая в обоих состояниях. Изменилась не её наличие, а её чёткость.

Шумный мозг спящего

Дальше — сюрприз, который ломает интуицию. Если бы вы спросили большинство нейробиологов, в каком состоянии мозг передаёт больше информации, они бы уверенно ответили: в бодрствовании. Больше информации — больше восприятия, больше опыта, больше «вас». Но измерения показали обратное. Абсолютное количество трансферной энтропии оказалось выше под анестезией.

«Этот неожиданный результат предполагает, что мозг под наркозом затапливается случайной, шумной информацией, тогда как бодрствующий мозг избирательно регулирует информацию в определённых направлениях», — объяснил Комура. «Иными словами, бодрствующий мозг превосходит не по количеству, а по надёжности и точности информационной коммуникации».

Аналогия напрашивается сама: двести человек, одновременно кричащих в комнате, производят объективно больше звуковой энергии, чем двое, тихо беседующих за столом. Но разговор происходит только во втором случае.

Что именно теряется под наркозом

Исследование наблюдательное, а не экспериментальное вмешательство в механизмы сознания. Крысы не могут рассказать о пережитом, поэтому сознание здесь выводится из состояния — бодрствование против анестезии. Это разумный прокси, но не тождество. Использовался только изофлуран; другие препараты подавляют сознание иными путями, а сон — вообще отдельная история. Авторы предлагают гипотезу: в бодрствующем мозге механизмы обратной связи подкручивают баланс возбуждения и торможения, делая направление волн более точным. Но это именно гипотеза, а не доказанный механизм.

«Наша будущая цель — перекинуть мост между этими находками об информационной настройке и более глубокими механизмами нейронных цепей», — говорит Комура.

Вернёмся к обратному отсчёту от десяти. Вы доходите до семи, может быть, до шести. Сознание исчезает. Судя по этой работе, внутри мозга крысы — а вероятно, и человека — ничего не выключается. Волны продолжают катиться. Информация продолжает плескаться, возможно, даже сильнее обычного. Пропадает дисциплина: та часть системы, которая решает, куда сигналу идти, и следит, чтобы он прибыл в нужное место.

Мы уже писали похожем случае о похожем повороте: под наркозом мозг тонет в шуме, а сознание — это точность, а не сила сигнала. Тогда речь шла о математической теории информации применительно к бегущим волнам у крыс. Новая работа добавляет к этой картине важный штрих: дело не только в уровне шума, но и в геометрии — в том, насколько направление информационного потока совпадает с направлением самой волны. И, пожалуй, впервые удалось показать, что именно эта настройка, а не общая активность, отличает бодрствование от наркоза.

Полное исследование опубликовано в журнале iScience.