Десятилетиями ученые фокусировались на том, как мозг обрабатывает информацию иерархически, при этом различные области мозга специализируются на различных задачах. Однако то, как эти области передают и интегрируют информацию, формируя единое целое, оставалось загадкой.

Теперь исследователи из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего приблизили нас к решению этой проблемы, наблюдая за тем, как нейроны синхронизируются в человеческом мозге во время чтения. Результаты опубликованы в Nature Human Behavior и также легли в основу диссертации доктора медицины Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкоба Гарретта.

«То, как активность мозга связана с субъективным опытом сознания, является одним из фундаментальных вопросов, на которые пока нет ответа в современной нейронауке», — сказал старший автор исследования Эрик Халгрен, доктор философии, профессор кафедры нейронауки и радиологии Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего.

«Если вы задумаетесь о том, что происходит, когда вы читаете текст, то увидите, что что-то в мозге должно превратить эту серию строк в слово, а затем связать ее с идеей или объектом. Наши результаты подтверждают теорию о том, что это достигается синхронной активацией множества различных областей мозга».

Эта синхронизация различных областей мозга, называемая «ко-пульсацией», считается необходимой для связывания различных фрагментов информации в единое целое. У грызунов ко-пульсация наблюдалась в гиппокампе, части мозга, которая кодирует воспоминания. У людей Халгрен и его коллеги ранее наблюдали , что ко-пульсация также происходит по всей коре головного мозга.

Чтобы изучить ко-пульсацию на механистическом уровне, Илья Вержбинский, кандидат на степень доктора медицины/докторантуры в Программе подготовки медицинских работников Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего, завершающий свое исследование в лаборатории Халгрена, возглавил исследование, опубликованное в Трудах Национальной академии наук , в котором рассматривалось, что происходит с отдельными нейронами, активирующимися в различных областях коры во время пуль. Настоящее исследование рассматривает это явление с более широкой точки зрения, спрашивая, как многие миллиарды нейронов в коре способны координировать эту активацию для обработки информации.

«В коре головного мозга 16 миллиардов нейронов — вдвое больше, чем людей на Земле», — сказал Халгрен. «Точно так же, как большой хор должен быть организован, чтобы звучать как единое целое, нейроны нашего мозга должны быть скоординированы, чтобы произвести одну мысль или действие».

«Совместная пульсация похожа на то, как нейроны поют в унисон и ритме, что позволяет нам интегрировать информацию и осмысливать мир. Если только они не взаимодействуют, эти нейроны практически не влияют друг на друга, но как только появляется пульсация, около двух третей пар нейронов в коре головного мозга синхронизируются. Мы были удивлены, насколько мощным был этот эффект».

Совместную пульсацию в коре головного мозга было трудно наблюдать у людей из-за ограничений неинвазивного сканирования мозга. Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали подход, называемый сканированием интракраниальной электроэнцефалографии (ЭЭГ), который измеряет электрическую активность мозга изнутри черепа. Команда изучала группу из 13 пациентов с лекарственно-устойчивой эпилепсией, которые уже проходили мониторинг ЭЭГ в рамках своего лечения. Это дало возможность изучить активность мозга более глубоко, чем при типичном сканировании мозга с использованием неинвазивных подходов.

Участникам показали ряд названий животных, перемежаемых строками случайных согласных или бессмысленных шрифтов, а затем попросили нажать кнопку, чтобы указать животное, название которого они увидели.

Исследователи наблюдали три стадии познания во время этих тестов: начальная иерархическая фаза в зрительных областях коры, на которой участник мог видеть слово, не понимая его сознательно; вторая стадия, на которой эта информация «засеивалась» корефляжами в другие области коры, участвующие в более сложных когнитивных функциях; и заключительная фаза, снова с корефляжами, на которой информация через кору интегрируется в осознанное знание и поведенческую реакцию — нажатие кнопки.

Исследователи обнаружили, что на протяжении всего упражнения наблюдалась синхронная рябь между различными частями мозга, задействованными в этих когнитивных стадиях, но рябь была сильнее, когда участники читали реальные слова.

Результаты исследования имеют потенциальное долгосрочное значение для лечения неврологических и психиатрических расстройств , таких как шизофрения, которые характеризуются нарушениями процессов интеграции информации.

«Найти способы реинтеграции разума у ​​людей с этими расстройствами будет проще, если мы сможем лучше понять, как происходит интеграция разума в типичных здоровых случаях», — добавил Халгрен.

В более широком смысле результаты исследования имеют важное значение для нашего понимания связи между функцией мозга и человеческим опытом.

«Это фундаментальный вопрос человеческого существования, который затрагивает суть взаимоотношений разума и мозга», — сказал Халгрен. «Понимая, как нейроны нашего мозга работают вместе, мы можем получить новое понимание природы самого сознания».

Дополнительные соавторы исследования: Эрик Кестнер из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего, Чад Карлсон из Медицинского колледжа Висконсина, Вернер К. Дойл и Оррин Девински из Медицинской школы Лангоне Нью-Йоркского университета и Томас Тесен из Медицинской школы Гейзеля.