Nowe badanie dostarcza dalszych dowodów na to, że świadomość zależy od komunikacji między obszarami czuciowymi i poznawczymi mózgu w korze mózgowej.
Nasze mózgi nieustannie tworzą prognozy dotyczące naszego otoczenia, co pozwala nam skupić się na nieoczekiwanych wydarzeniach i reagować na nie. Niedawne badanie bada, jak ten proces predykcyjny funkcjonuje w stanie świadomości i jak zmienia się pod wpływem znieczulenia ogólnego. Odkrycia potwierdzają pogląd, że świadome myślenie opiera się na zsynchronizowanej komunikacji między podstawowymi obszarami sensorycznymi a obszarami poznawczymi mózgu wyższego rzędu, wspomaganej przez rytmy mózgowe w określonych pasmach częstotliwości.
Wcześniej członkowie zespołu badawczego w The Picower Institute for Learning and Memory przy ul MIT i na Uniwersytecie Vanderbilt opisał, w jaki sposób rytmy mózgowe umożliwiają mózg, aby pozostać przygotowanym zająć się niespodziankami. Obszary mózgu zorientowane na poznanie (zwykle z przodu mózgu) wykorzystują rytmy alfa i beta o stosunkowo niskiej częstotliwości, aby stłumić przetwarzanie przez obszary czuciowe (zwykle z tyłu mózgu) bodźców, które stały się znajome i przyziemne w środowisku (np. muzyka Twojego współpracownika). Kiedy obszary sensoryczne wykryją niespodziankę (np. alarm pożarowy w biurze), wykorzystują rytmy gamma o szybszej częstotliwości, aby poinformować o tym wyższe regiony, a wyższe regiony przetwarzają to przy częstotliwościach gamma, aby zdecydować, co zrobić (np. wyjść z budynku).
Wpływ znieczulenia na komunikację mózgu
Nowe wyniki opublikowano 7 października w czasopiśmie „ Postępowanie Narodowej Akademii Naukwykazali, że gdy zwierzęta poddano znieczuleniu ogólnemu indukowanemu propofolem, obszar sensoryczny zachował zdolność wykrywania prostych niespodzianek, ale utracono komunikację z wyższym obszarem poznawczym w przedniej części mózgu, przez co obszar ten nie był w stanie zaangażować się w „górne dół” reguluje aktywność obszaru sensorycznego i utrzymuje go w nieświadomości zarówno prostych, jak i bardziej złożonych niespodzianek.
„To, co tutaj robimy, przemawia do natury świadomości” – powiedział współautor Earl K. Miller, profesor Picower w Instytucie Nauki i Pamięci Picower oraz na Wydziale Nauk o Mózgu i Kognitywistyce MIT. „Znieczulenie ogólne propofolem dezaktywuje odgórne procesy leżące u podstaw funkcji poznawczych. Zasadniczo rozłącza komunikację między przednią i tylną połową mózgu.
Współautor Andre Bastos, adiunkt na wydziale psychologii w Vanderbilt i były członek laboratorium Millera w MIT, dodał, że wyniki badania podkreślają kluczową rolę obszarów czołowych w świadomości.
„Wyniki te są szczególnie ważne, biorąc pod uwagę nowo odkryte zainteresowanie naukowe mechanizmami świadomości oraz związkiem świadomości ze zdolnością mózgu do formułowania przewidywań” – powiedział Bastos.
Zdolność mózgu do przewidywania ulega dramatycznym zmianom podczas znieczulenia. Interesujące było to, że zdolności predykcyjne przedniej części mózgu, obszarów związanych z poznaniem, były silniej zmniejszone niż obszarów sensorycznych. Sugeruje to, że obszary przedczołowe pomagają wywołać zdarzenie „zapłonu”, które umożliwia uświadomienie informacji zmysłowych. Sama aktywacja kory czuciowej nie prowadzi do świadomej percepcji. Te obserwacje pomagają nam zawęzić możliwe modele mechanizmów świadomości.
Yihan Sophy Xiong, absolwentka laboratorium Bastosa, która kierowała badaniem. powiedział, że środek znieczulający skraca czas komunikacji międzyregionalnej w obrębie
„W obudzonym mózgu fale mózgowe dają neuronom krótkie okresy czasu na optymalną pracę – jest to, że tak powiem, „częstotliwość odświeżania” mózgu” – powiedział Xiong. „Ta częstotliwość odświeżania pomaga zorganizować różne obszary mózgu w celu skutecznej komunikacji. Znieczulenie zarówno spowalnia częstotliwość odświeżania, co zawęża okno czasowe, w którym obszary mózgu mogą ze sobą rozmawiać, jak i sprawia, że częstotliwość odświeżania jest mniej skuteczna, przez co neurony stają się bardziej zdezorganizowane w zakresie tego, kiedy mogą zadziałać. Kiedy częstotliwość odświeżania nie działa już zgodnie z oczekiwaniami, nasza zdolność do przewidywania jest osłabiona.”
Uczenie się od dziwaków
Aby przeprowadzić badania, neurolodzy zmierzyli sygnały elektryczne, czyli impulsy, setek pojedynczych neuronów oraz skoordynowane rytmy ich zagregowanej aktywności (przy częstotliwościach alfa/beta i gamma) w dwóch obszarach powierzchni, czyli kory mózgowej, mózgów dwóch zwierząt, gdy słuchały sekwencji dźwięków. Czasami wszystkie sekwencje składają się z tej samej nuty (np. AAAAA). Czasami zdarzała się prosta niespodzianka, którą badacze nazywali „lokalnym dziwakiem” (np. AAAAB). Ale czasami niespodzianka byłaby bardziej skomplikowana lub stanowiła „globalne dziwactwo”. Na przykład po obejrzeniu serii AAAAB nagle pojawia się AAAAA, co narusza globalny, ale nie lokalny wzorzec.
Wcześniejsze prace sugerowały, że obszar sensoryczny (w tym przypadku obszar skroniowo-ciemieniowy, Tpt) może samodzielnie wykrywać lokalne dziwactwa, powiedział Miller. Wykrycie bardziej skomplikowanego globalnego dziwaka wymaga udziału regionu wyższego rzędu (w tym przypadku Frontal Eye Fields, FEF).
Zwierzęta słyszały sekwencje dźwięków zarówno na jawie, jak i podczas znieczulenia propofolem. W stanie czuwania nie było żadnych niespodzianek. Naukowcy potwierdzili, że odgórne rytmy alfa/beta z FEF przenoszą przewidywania do Tpt i że Tpt zwiększy rytmy gamma, gdy pojawi się dziwna kula, powodując, że FEF (i kora przedczołowa) również reagują wzrostem aktywności gamma.
Jednak za pomocą kilku pomiarów i analiz naukowcy zaobserwowali załamanie się tej dynamiki po utracie przytomności przez zwierzęta.
Na przykład po podaniu propofolu aktywność skokowa ogólnie spadła, ale kiedy pojawił się lokalny dziwak, skok Tpt nadal znacznie wzrósł, ale teraz wzrost FEF nie nastąpił tak samo, jak podczas czuwania.
Tymczasem, gdy podczas czuwania zaprezentowano globalną dziwną kulę, badacze mogli użyć oprogramowania do „odkodowania” reprezentacji tego zjawiska wśród neuronów w FEF i korze przedczołowej (inny obszar zorientowany na poznanie). Mogli także rozszyfrować lokalne dziwaki w Tpt. Jednak w znieczuleniu dekoder nie był już w stanie wiarygodnie wykryć reprezentacji lokalnych lub globalnych dziwactw w FEF lub korze przedczołowej.
Co więcej, kiedy porównali rytmy w regionach znajdujących się w stanach czuwania i nieświadomości, odkryli wyraźne różnice. Kiedy zwierzęta nie spały, dziwaki zwiększyły aktywność gamma zarówno w Tpt, jak i FEF, a rytmy alfa/beta spadły. Regularna, niedziwna stymulacja zwiększa rytmy alfa/beta. Kiedy jednak zwierzęta straciły przytomność, wzrost rytmów gamma spowodowany lokalną dziwną kulą był jeszcze większy w Tpt niż wtedy, gdy zwierzę było przytomne.
„W przypadku utraty przytomności wywołanej propofolem hamująca funkcja alfa/beta uległa osłabieniu i/lub wyeliminowaniu, co doprowadziło do odhamowania dziwaków w korze czuciowej” – napisali autorzy.
Inne analizy łączności i synchronizacji między regionami wykazały, że regiony utraciły zdolność komunikowania się podczas znieczulenia.
Podsumowując, dowody badania sugerują, że świadome myślenie wymaga koordynacji w całej korze mózgowej, od przodu do tyłu, napisali naukowcy.
„Nasze wyniki sugerują zatem, że oprócz aktywacji kory czuciowej, aktywacja kory przedczołowej odgrywa ważną rolę w świadomej percepcji” – napisali naukowcy.
Odniesienie: „Utrata przytomności za pośrednictwem propofolu zakłóca przewidywanie routingu i lokalną modulację fazy pola aktywności neuronowej” Yihan (Sophy) Xiong, Jacob A. Donoghue, Mikael Lundqvist, Meredith Mahnke, Alex James Major, Emery N. Brown, Earl K. Miller i André M. Bastos, 7 października 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2315160121
Oprócz Xionga, Millera i Bastosa, pozostałymi autorami artykułu są Jacob Donoghue, Mikael Lundqvist, Meredith Mahnke, Alex Major i Emery N. Brown.
The Narodowe Instytuty ZdrowiaBadanie sfinansowały Fundacja JPB oraz Instytut Nauki i Pamięci Picower.
