Исследователи из Медицинского колледжа Бэйлора установили, что человеческий мозг сохраняет удивительно сложные способности даже под общим наркозом, когда сознание полностью отключено. Результаты работы, опубликованные в журнале Nature, ставят под сомнение традиционные представления о связи сознания и мышления. Они также могут помочь в разработке технологий для восстановления коммуникации у людей с неврологическими повреждениями.
«Наши результаты показывают, что мозг во время бессознательного состояния гораздо активнее и способнее, чем считалось ранее, — заявил доктор Самир Шет, профессор и руководитель кафедры нейрохирургии имени Каллена при Медицинском колледже Бэйлора, а также стипендиат программы Макнейра. — Даже когда пациенты находятся под полным наркозом, их мозг продолжает анализировать окружающий мир».
Чтобы изучить процессы, происходящие в бессознательном мозге, Шет, который также работает нейрохирургом в Медицинском центре Бэйлора Святого Луки, и его коллеги наблюдали за пациентами, переносившими операцию по поводу эпилепсии под общим наркозом. Такие процедуры дали редкую возможность исследовать гиппокамп — структуру мозга, тесно связанную с обучением и памятью. Расположенный в височной доле, гиппокамп помогает упорядочивать информацию и играет ключевую роль в формировании новых воспоминаний.
Для регистрации электрических сигналов от сотен отдельных нейронов гиппокампа учёные применили современные зонды Neuropixels. Эти миниатюрные устройства способны одновременно фиксировать активность множества нервных клеток, давая детальную картину того, как группы нейронов реагируют на информацию. По словам исследователей, эта технология ранее не использовалась для изучения данной области мозга таким образом. Она позволила команде проанализировать, как гиппокамп откликается на звуки и речь, пока пациенты находились без сознания и не могли рассказать о своих ощущениях.
В первом эксперименте участникам воспроизводили серию повторяющихся тонов, которую иногда прерывал звук, отличавшийся от остальных. Хотя пациенты были под наркозом, нейроны их гиппокампа реагировали на неожиданные звуки иначе. Более того, со временем мозговые клетки становились лучше в распознавании таких необычных тонов. Это улучшение указывало на признаки нейронной пластичности — способности мозга менять свои реакции под влиянием опыта. Иными словами, некоторые базовые процессы, связанные с обучением, по-видимому, оставались активными даже без участия сознания.
Затем исследователи проверили, способен ли бессознательный мозг справляться с более сложной задачей, чем простые звуки. Пациентам под наркозом проигрывали короткие рассказы, продолжая записывать активность нейронов гиппокампа. Результаты выявили неожиданно высокий уровень обработки речи: различные паттерны нейронной активности содержали информацию о разных категориях слов, включая существительные, глаголы и прилагательные. Это говорило о том, что гиппокамп реагировал на смысловые особенности языка, а не просто фиксировал наличие звуков. Самое интересное открытие оказалось ещё глубже: нейронная активность несла сведения, позволявшие предсказывать следующие слова в предложении. Хотя пациенты были без сознания, их мозг, судя по всему, предугадывал, как продолжится звучащая вокруг речь.
«Мозг, похоже, предугадывает, что произойдёт дальше в рассказе, даже без участия сознания», — отметил Шет, который также возглавляет лаборатории Исследовательского фонда детской неврологии Гордона и Мэри Кейн в Неврологическом исследовательском институте Дункана при Детской больнице Техаса. Эта способность связана с процессом, известным как предиктивное кодирование (предсказательное кодирование). Вместо пассивного получения информации мозг постоянно использует закономерности и прошлый опыт, чтобы предвидеть, что случится дальше. Когда человек слушает чью-то речь, мозг, например, может на основе уже услышанных слов строить ожидания относительно того, что последует. Учёные обычно изучали такое сложное предсказание у бодрствующих и внимательных людей. Обнаружение его признаков под общим наркозом позволяет предположить, что как минимум часть лежащих в его основе нейронных процессов может работать независимо от сознания.
«Такое предсказательное кодирование мы связываем с состоянием бодрствования и внимания, однако здесь оно происходит в бессознательном состоянии», — сказал доктор Бенджамин Хейден, профессор нейрохирургии в Медицинском колледже Бэйлора. Полученные данные поднимают важные вопросы о том, какой вклад сознание вносит в способность мозга обрабатывать информацию. Сознание обычно ассоциируется с субъективным восприятием, включая опыт слышать, думать и понимать окружающий мир. Однако исследование показывает, что некоторые нейронные процессы, участвующие в интерпретации языка и предсказании будущей информации, могут продолжаться даже при отсутствии такого восприятия. Это не обязательно означает, что пациенты под наркозом сознательно понимали проигрываемые им рассказы. Скорее, это указывает на то, что мозг способен выполнять удивительно сложные аспекты обработки речи без осведомлённости человека об этом.
Различие может помочь учёным лучше понять, как возникает сознание. Одна из возможностей состоит в том, что осведомлённость зависит не просто от активности отдельных областей мозга, а от того, как информация координируется и распределяется между крупными нейронными сетями. С этой точки зрения такая структура, как гиппокамп, может продолжать анализировать информацию, даже когда более широкое взаимодействие между областями мозга, необходимое для сознательного опыта, нарушено. Открытие также высвечивает интригующее сходство между активностью человеческого мозга и искусственным интеллектом (ИИ). Большие языковые модели, лежащие в основе многих современных ИИ-чат-ботов, генерируют текст, используя закономерности, усвоенные из огромных объёмов языковых данных, чтобы предсказать, что должно следовать дальше. Исследователи наблюдали родственную предсказательную способность в гиппокампе, где нейронные сигналы отражали информацию о будущих словах даже во время бессознательного состояния. Хотя биологический мозг и модели ИИ работают принципиально по-разному, оба могут использовать закономерности языка для предугадывания будущей информации. Изучение этих сходств может помочь учёным лучше понять, как работает предсказание в естественных и искусственных системах.
Результаты могут иметь и практическое значение для нейроинтерфейсов, которые используют сигналы, записанные с мозга, для связи с внешними устройствами. Одно из потенциальных применений касается речевых протезов — технологий, призванных помочь людям общаться, когда травмы или неврологические заболевания нарушили их способность говорить. Если учёные смогут надёжно выявлять значимые речевые сигналы в мозге, эти сигналы в перспективе можно будет использовать для поддержки коммуникационных технологий у пациентов, утративших речь. «Можем ли мы использовать эти сигналы, чтобы задействовать и запустить речевой протез для некоторых участков мозга, повреждённых инсультом или травмой? Это вопросы, которые мы теперь можем рассматривать применительно к этой области мозга», — сказал доктор Виги Катловиц, первый автор работы и ординатор по нейрохирургии в Медицинском колледже Бэйлора. Несмотря на яркие результаты, исследователи подчёркивают, что ряд вопросов остаётся без ответа. Эксперименты проводились при одном конкретном типе общего наркоза, поэтому результаты нельзя автоматически переносить на другие методы анестезии или состояния бессознательного. Также неясно, происходит ли подобная обработка речи во время сна или комы — двух состояний, которые значительно отличаются от медикаментозно вызванного бессознательного состояния. Ещё одно важное ограничение связано с тем, что исследователи сосредоточились на гиппокампе. Потребуются дальнейшие работы, чтобы определить, сохраняются ли сопоставимые способности в других областях мозга и как эти области взаимодействуют при отсутствии сознания. Тем не менее результаты дают убедительные доказательства того, что бессознательное состояние не обязательно означает, что мозг перестал выполнять сложную обработку информации. Напротив, мозг может продолжать анализировать закономерности, реагировать на неожиданные события и предугадывать речь, даже когда человек не осознаёт окружающий мир. «Эта работа заставляет нас переосмыслить, что значит быть в сознании, — сказал Шет. — Мозг делает гораздо больше за кулисами, чем мы полностью понимаем».