Mūsų smegenys nuolat dirba, kad nuspėtų, kas vyksta aplink mus, pavyzdžiui, kad galėtume stebėti ir atsižvelgti į netikėtumus. Naujas tyrimas tiria, kaip tai veikia sąmonės metu, taip pat sugenda taikant bendrąją anesteziją. Rezultatai papildo idėją, kad sąmoningam mąstymui reikalingas sinchronizuotas bendravimas, kurį tarpininkauja smegenų ritmai tam tikrose dažnių juostose, tarp pagrindinių jutimo ir aukštesnio laipsnio kognityvinių smegenų sričių.
Anksčiau MIT Picower mokymosi ir atminties instituto ir Vanderbilto universiteto tyrimų grupės nariai apibūdino, kaip smegenų ritmai leidžia smegenims išlikti pasiruošusioms netikėtumams.
Į pažinimą orientuotose smegenų srityse (dažniausiai priekinėje smegenų dalyje) naudojami santykinai žemo dažnio alfa ir beta ritmai, kad slopintų dirgiklių, kurie tapo pažįstami ir kasdieniški aplinkoje, apdorojimą jutiminėse srityse (dažniausiai į užpakalinę smegenų dalį). pvz., jūsų bendradarbio muzika). Kai jutiminiai regionai aptinka netikėtumą (pvz., biuro gaisro signalizaciją), jie naudoja greitesnio dažnio gama ritmus, kad praneštų apie tai aukštesniems regionams, o aukštesni regionai tai apdoroja gama dažniais, kad nuspręstų, ką daryti (pvz., išeiti iš pastato).
Nauji rezultatai paskelbti spalio 7 d Nacionalinės mokslų akademijos darbairodo, kad, kai gyvūnams buvo taikoma propofolio sukelta bendroji nejautra, jutimo sritis išliko gebėjimas aptikti paprastus netikėtumus, tačiau ryšys su aukštesniu pažinimo sritimi smegenų priekinėje dalyje buvo prarastas, todėl ši sritis negalėjo įsitraukti į savo „viršutinę žemyn“ reguliuoja jutiminės srities veiklą ir nepaisydamas paprastų ir sudėtingesnių netikėtumų.
„Tai, ką mes darome čia, kalba apie sąmonės prigimtį“, – sakė vienas iš vyresnysis autorius Earl K. Miller, Picower mokymosi ir atminties instituto ir MIT Smegenų ir pažinimo mokslų skyriaus profesorius. „Propofolio bendroji anestezija deaktyvuoja iš viršaus į apačią vykstančius procesus, kuriais grindžiamas pažinimas. Ji iš esmės atjungia ryšį tarp priekinės ir galinės smegenų dalių.”
Vienas iš vyresniųjų autorių Andre Bastos, Vanderbilto psichologijos katedros docentas ir buvęs Millerio MIT laboratorijos narys, pridūrė, kad tyrimo rezultatai pabrėžia pagrindinį priekinių sričių vaidmenį sąmonėje.
„Šie rezultatai yra ypač svarbūs, atsižvelgiant į naujai atrastą mokslinį susidomėjimą sąmonės mechanizmais ir tai, kaip sąmonė yra susijusi su smegenų gebėjimu formuoti prognozes“, – sakė Bastosas.
„Smegenų gebėjimas nuspėti labai pakinta anestezijos metu. Buvo įdomu tai, kad smegenų priekinė dalis, su pažinimu susijusios sritys, buvo labiau susilpnėjusios nei jutimo sritys. Tai rodo, kad priekinės sritys padeda įžiebti „uždegimą” įvykis, leidžiantis jutiminei informacijai tapti sąmoningu, pats savaime nesukelia sąmoningo suvokimo.
Yihan Sophy Xiong, Bastos laboratorijos absolventas, vadovavęs tyrimui, sakė, kad anestetikas sumažina tarpregioninio bendravimo laiką.
„Pabudusiose smegenyse smegenų bangos suteikia trumpą progą neuronams veikti optimaliai – taip sakant smegenų „atnaujinimo dažnį“, – sakė Xiong. „Šis atnaujinimo dažnis padeda organizuoti įvairias smegenų sritis, kad būtų galima efektyviai bendrauti. Anestezija tiek sulėtina atnaujinimo dažnį, o tai susiaurina šiuos laiko langus smegenų sritims susikalbėti, o atnaujinimo dažnis tampa mažiau efektyvus, todėl neuronai tampa labiau netvarkingi dėl to, kada jie gali suveikti. Kai atnaujinimo dažnis nebeveikia taip, kaip numatyta, mūsų gebėjimas prognozuoti susilpnėja“.
Mokymasis iš keistų kamuolių
Norėdami atlikti tyrimą, neurologai išmatavo šimtų atskirų neuronų elektrinius signalus „arba smailes“ ir suderintus jų aktyvumo ritmus (alfa / beta ir gama dažniais) dviejose paviršiaus arba žievės srityse, dviejų gyvūnų smegenų, kai jie klausėsi tonų sekų.
Kartais visos sekos būtų vienodos (pvz., AAAAA). Kartais pasitaiko paprastas netikėtumas, kurį mokslininkai pavadino „vietiniu keistuku“ (pvz., AAAAB). Tačiau kartais staigmena būtų sudėtingesnė arba „visuotinė keista“. Pavyzdžiui, pamačius AAAAB seriją, staiga atsirado AAAAA, o tai pažeidžia visuotinį, bet ne vietinį modelį.
Ankstesnis darbas parodė, kad jutimo sritis (šiuo atveju temporoparietalinė sritis arba Tpt) gali savarankiškai pastebėti vietinius keistus kamuolius, sakė Milleris. Norint aptikti sudėtingesnį pasaulinį keistumą, reikia aukštesnės eilės regiono (šiuo atveju priekinių akių laukų arba FEF).
Gyvūnai girdėjo tonų sekas ir būdami, ir būdami propofolio anestezija. Nebuvo jokių netikėtumų dėl pabudimo būsenos. Tyrėjai dar kartą patvirtino, kad iš viršaus į apačią alfa / beta ritmai iš FEF pernešė prognozes į Tpt ir kad Tpt padidins gama ritmus, kai atsiras nelyginis kamuoliukas, todėl FEF (ir priekinė žievė) taip pat reaguos su gama aktyvumo padidėjimu.
Tačiau atlikę keletą priemonių ir analizę, mokslininkai galėjo pastebėti, kad ši dinamika nutrūko gyvūnams praradus sąmonę.
Pavyzdžiui, propofolio metu spygliuočių aktyvumas apskritai sumažėjo, tačiau kai atsirado vietinis keistas kamuoliukas, Tpt padidėjimas vis tiek pastebimai išaugo, tačiau dabar FEF padidėjimas nebuvo toks, kaip pabudimo metu.
Tuo tarpu, kai pabudimo metu buvo pateiktas pasaulinis keistumas, tyrėjai galėjo naudoti programinę įrangą, kad „iškoduotų“ tai tarp neuronų FEF ir prefrontalinėje žievėje (kita į pažinimą orientuota sritis). Jie taip pat galėtų iššifruoti vietinius keistus kamuolius Tpt. Tačiau anestezijos metu dekoderis nebegalėjo patikimai aptikti vietinių ar visuotinių keistuolių vaizdų FEF arba prefrontalinėje žievėje.
Be to, palyginę ritmus regionuose budrumo ir nesąmoningų būsenų apsuptyje, jie rado didelių skirtumų. Kai gyvūnai pabudo, nelyginiai kamuoliukai padidino gama aktyvumą tiek Tpt, tiek FEF, o alfa / beta ritmai sumažėjo. Reguliarus, nelyginis stimuliavimas padidino alfa / beta ritmus. Tačiau kai gyvūnai prarado sąmonę, gama ritmų padidėjimas dėl vietinio keisto kamuoliuko Tpt buvo dar didesnis nei tada, kai gyvūnas buvo pabudęs.
„Dėl propofolio sukelto sąmonės netekimo alfa/beta slopinamoji funkcija susilpnėjo ir (arba) išnyko, todėl jutimo žievėje buvo slopinami keistieji kamuoliukai“, – rašė autoriai.
Kitos tarpregioninio ryšio ir sinchronijos analizės atskleidė, kad anestezijos metu regionai prarado galimybę bendrauti.
Apskritai, tyrimo duomenys rodo, kad sąmoningai mąstymui reikalingas koordinavimas visoje žievėje, nuo priekio iki galo, rašė tyrėjai.
„Todėl mūsų rezultatai rodo svarbų prefrontalinės žievės aktyvinimo vaidmenį, be jutiminės žievės aktyvinimo, sąmoningam suvokimui“, – rašė mokslininkai.
Be Xiongo, Millerio ir Bastoso, kiti šio straipsnio autoriai yra Jacobas Donoghue'as, Mikaelis Lundqvistas, Meredith Mahnke, Alexas Majoras ir Emery N. Brownas.