Пока мы бодрствуем, мозг не просто «включён» — он выстраивает точные маршруты для потоков информации. А под наркозом эти маршруты рассыпаются в шум. Группа нейробиологов из Киотского университета впервые связала физику «бегущих волн» в коре мозга крыс с математической теорией информации и показала, чем清醒ное восприятие отличается от бессознательного состояния на уровне передачи сигналов.

Волны, бегущие по коре

Вопрос о природе сознания десятилетиями ставил в тупик и философов, и учёных. Давно известно: когда мы бодрствуем, мозг организует нейронную информацию для восприятия, но под анестезией эта организация исчезает. Почему так происходит — оставалось загадкой, ведь простые изменения уровня активности отдельных зон мозга не объясняют потерю сознания.

Теоретики предполагали, что осознанное восприятие держится на двух опорах: способности мозга кодировать внешние признаки и способности передавать информацию между разными участками коры. Первое подтверждено множеством экспериментов, а вот прямых физических доказательств второго до сих пор не было. Команда из Киото взялась заполнить этот пробел.

Для эксперимента разработали высокоплотные матрицы для электрокортикографии (ECoG), которые покрывали большую часть коры правого полушария крысы. Это позволило извлечь «бегущие волны» — физические явления, при которых электрическая активность распространяется по мозгу, как круги по воде от брошенного камня. Затем сигналы проанализировали в симуляциях с помощью трансферной энтропии — математической метрики, количественно оценивающей направленный поток информации.

Избирательность вместо громкости

Первые результаты симуляций удивили: само по себе наличие бегущих волн и их распространение ещё не гарантирует передачу информации. Однако подтвердилось, что в коре мозга информация течёт избирательно — вдоль направления распространения волн. Этот феномен исследователи назвали «информационной настройкой» (informational tuning).

Кривые настройки оказались значительно острее во время бодрствования, чем под анестезией. Но вот что по-настоящему озадачило: абсолютное количество трансферной энтропии было выше именно под наркозом, а не в清醒ном состоянии.

«Этот неожиданный результат говорит о том, что мозг под анестезией затапливается случайной, шумной информацией, тогда как бодрствующий мозг избирательно регулирует информацию в определённых направлениях, — поясняет ведущий автор исследования Ютака Комура. — Иными словами,清醒ный мозг превосходит в „надёжности“ и точности передачи информации, а не просто в её сыром объёме».

Мост между биологией и математикой

Соединив биологическую реальность бегущих волн с математической строгостью трансферной энтропии, исследование показало, как бодрствующий мозг оттачивает внутреннюю коммуникацию, чтобы обеспечить надёжный поток информации. Более того, учёные предложили количественную метрику для оценки эффективности передачи информации между участками коры.

Работа опубликована в журнале iScience. Помимо Комуры, в команду вошли Кайо Мисава и другие исследователи. Они не останавливаются на достигнутом: «Наша будущая цель — перекинуть мост между результатами об информационной настройке и более глубокими механизмами нейронных цепей», — говорит Комура.

Любопытно, что этот подход перекликается с другими недавними открытиями о том, как мозг обрабатывает информацию в разных состояниях. Например, мы уже писали о том, как нейропептиды Y управляют оптимизмом: там тоже речь шла о том, что химические сигналы тонко настраивают работу префронтальной коры. Теперь же выясняется, что и сама передача информации по коре — процесс не хаотичный, а строго направленный.

Остаётся открытым вопрос: как именно мозг «решает», какие волны несут значимую информацию, а какие — лишь фоновый шум? И почему под анестезией эта избирательность ломается, хотя общий объём передаваемых сигналов даже растёт? Возможно, ответ кроется в тонких механизмах синхронизации нейронных ансамблей — но это уже тема для следующих экспериментов.