Учёные предложили новую теорию возникновения сознания на основе аналоговых вычислений мозга

Нейроны мозга могут обрабатывать информацию не только за счёт работы отдельных нейронных цепей и синапсов, но и благодаря распространяющимся мозговым волнам. К такому выводу пришли нейробиологи из Массачусетского технологического института (MIT), предложившие новую теорию происхождения быстрого мышления и сознания.

Согласно их гипотезе, ритмическая активность нейронов создаёт своеобразную систему аналоговых вычислений, которая позволяет одновременно координировать миллионы нейронов, быстро переключать функциональные сети и объединять информацию из разных областей мозга.

Авторы во главе с профессором Института Пиковера Эрлом Миллером считают, что привычное представление о мозге как о совокупности связанных между собой нейронных цепей является неполным. Синаптические связи действительно необходимы: они позволяют хранить воспоминания, представлять цели и другие устойчивые элементы информации. Однако изменение этих связей происходит относительно медленно, тогда как мозгу приходится принимать решения и реагировать на постоянно меняющуюся сенсорную информацию за доли секунды.

По мнению исследователей, необходимую скорость обеспечивает другой механизм — мозговые волны. Это синхронизированные колебания активности больших групп нейронов, которые способны быстро координировать работу различных нейронных ансамблей.

В цифровых вычислительных системах информация обычно обрабатывается последовательностью операций с помощью переключателей и логических элементов. Аналоговые вычисления работают иначе: физические свойства системы позволяют выполнять несколько операций одновременно. Один из примеров такого подхода — взаимодействие волн, которые могут накладываться друг на друга, усиливаться или ослабляться.

Исследователи предполагают, что мозг использует собственную физику именно таким образом. Распространяющиеся по коре мозговые волны могут одновременно определять, какие нейроны активируются, где это происходит и в какой момент времени.

Особенно важную роль в предлагаемой модели играет так называемая смешанная избирательность нейронов. Многие нейроны не отвечают только за одну конкретную функцию. Один и тот же нейрон может реагировать на различные признаки, контексты и типы информации, фактически участвуя сразу в нескольких функциональных сетях.

Такая организация даёт мозгу огромные вычислительные возможности, но создаёт проблему: необходимо быстро координировать множество перекрывающихся сетей, не перестраивая каждый раз их физические соединения.

Миллер и его коллеги предполагают, что эту задачу решают мозговые волны разных частот. Более медленные альфа- и бета-ритмы могут отражать и регулировать информацию, связанную с воспоминаниями и целями, тогда как более быстрые гамма-волны связаны с обработкой поступающей сенсорной информации.

В рамках новой теории альфа- и бета-волны, возникающие благодаря активности нейронов, определяют, какие сохранённые представления становятся активными в конкретный момент. При этом волны могут воздействовать на нейроны не только через синаптические соединения.

В более ранних экспериментах группы Миллера были получены свидетельства того, что электрические поля, возникающие при активности нейронов, способны быстро влиять на возбуждение других клеток посредством так называемого эфаптического взаимодействия. В отличие от передачи сигнала через синапсы, такое воздействие может происходить практически мгновенно на масштабах, важных для нейронной обработки информации.

Ещё одна особенность мозговых волн заключается в том, что они могут распространяться по поверхности коры. Поэтому их действие имеет одновременно пространственный и временной характер. В предлагаемой модели бета-волны выступают как своего рода подвижные шаблоны, определяющие, где и когда гамма-активность будет обрабатывать поступающую сенсорную информацию.

В результате мозг получает возможность осуществлять так называемые пространственно-временные вычисления. Когда волны разных областей и частот пересекаются, их взаимодействие может приводить к усилению или ослаблению сигнала. Именно такие физические взаимодействия, по мнению авторов, могут лежать в основе аналоговых вычислений мозга.

Если эта гипотеза подтвердится, она предложит новое объяснение тому, каким образом мозг способен выполнять огромное количество операций быстро и при относительно небольших энергетических затратах.

Однако сами исследователи подчёркивают, что пока речь идёт именно о теории. Следующим этапом работы должно стать непосредственное обнаружение признаков аналоговых вычислений в структуре и динамике мозговых волн.

Отдельная часть гипотезы касается сознания. Авторы предполагают, что оно возникает тогда, когда динамика мозговых волн переводит кору в организованное состояние, позволяющее одновременно объединять и координировать активность широко распределённых нейронных сетей.

В пользу связи между мозговыми волнами и сознанием исследователи приводят, в частности, результаты экспериментов с общей анестезией. Миллер совместно с коллегой Эмери Брауном изучал действие анестетиков, которые воздействуют на разные молекулярные мишени. Несмотря на различия в механизмах действия препаратов, они сходным образом нарушали организацию мозговых волн и приводили к потере сознания.

Авторы считают это аргументом в пользу того, что сознание может зависеть не столько от работы определённых рецепторов или отдельных типов клеток, сколько от сохранения согласованной активности крупных нейронных сетей.

Таким образом, новая теория связывает мышление и сознание с одним общим механизмом — динамической организацией мозговой активности с помощью волн. Синапсы и нейронные цепи, согласно этой модели, обеспечивают хранение и представление информации, а волновая динамика определяет, какие представления активируются, где именно и в какой момент они взаимодействуют.

Если предположение об аналоговых вычислениях подтвердится экспериментально, оно может иметь значение не только для фундаментальной нейробиологии. Мозговые волны можно изменять неинвазивными методами, поэтому понимание их роли потенциально способно привести к новым подходам к лечению нарушений работы мозга.

Исследователи подчёркивают, что именно возможность управлять динамикой мозговых волн делает это направление особенно перспективным для будущих клинических исследований.

Исследование опубликовано в журнале The Journal of Neuroscience.