Таламус против сознания: Яичко для восприятия

Нейробиологи идентифицировали ключевую "дверь" человеческого сознания. Новое исследование, опубликованное в журнале Science, показало, что таламус играет центральную роль в том, как люди осознают визуальную информацию. Записывая электрическую активность непосредственно из мозгов пяти пациентов во время визуального задания, ученые обнаружили, что определенные области таламуса активируются раньше и сильнее в моменты визуального восприятия. Эти находки предполагают, что интралмиринные и медиальные таламические ядра действуют как ворота, инициирующие сознательное восприятие, влияя на активность префронтальной коры.

Таламус – это небольшая, яйцевидная структура, расположенная глубоко в центре мозга. Он выступает в качестве узла для передачи сенсорной информации – такой как зрение, слух и осязание – к коре головного мозга, где происходит восприятие и интерпретация. Кроме этой функции, он также помогает регулировать бодрствование, сон и внимание.

Хотя таламус долгое время считался станцией для передачи сенсорной информации, он в основном воспринимался как вспомогательный актер – важный для поддержания бодрствования, но не источник сознательного опыта. Текущее исследование бросает вызов этой идее, предлагая новые доказательства того, что таламус делает больше, чем просто передает сигналы. Он может активно формировать то, что попадает в наше сознательное восприятие.

Для исследования команда ученых воспользовалась уникальной возможностью записывать активность мозга во время исследований на людях. Пятерым взрослым мужчинам, проходящим лечение от тяжелых, устойчивых к лекарствам головных болей, были имплантированы электроды в мозг. Эти электроды позволили исследователям мониторить нейронную активность в реальном времени в нескольких областях мозга, включая различные части таламуса и префронтальной коры.

Участники выполнили задачу визуального восприятия, в рамках которой им были представлены изображения на грани сознательной видимости. На каждом этапе появлялся паттерн, который недолго отображался с одной стороны от центра фиксированной точки. Некоторые изображения были яркими и четкими, в то время как другие – тусклыми и трудноразличимыми. Порой и вовсе не было видно никакого стимула. После каждого испытания участники реагировали движением глаз, указывая, видели ли они стимул и где он появился.

Этот подход позволил ученым сравнить активность мозга между испытаниями, когда участники осознанно видели стимул, и испытаниями, когда они его не замечали, даже если зрительный сигнал был почти одинаковым. Этот критический контраст помог изолировать нейронные процессы, непосредственно связанные с осознанием, а не простым сенсорным восприятием.

Результаты показали, что определенные области глубоко в таламусе – в частности, центральное медиальное ядро, медиодорсальное медиальное ядро и парафасцикулярное ядро – проявляли повышенную активность во время тех испытаний, когда участники сообщили о восприятии стимула. Эти области известны как интралмиринные и медиальные таламические ядра. Их реакции происходили раньше и с большей интенсивностью, чем активность в других таламических областях, таких как вентральные ядра, и даже ранее, чем в префронтальной коре.

Проведя множество анализов, исследователи выяснили, что высокопорядковые таламические ядра демонстрируют более сильные электрические сигналы, усиленные низкочастотные колебания и более скоординированную активность в моменты осознания. Особенно примечательным является время этой активности, которое начиналось примерно через 200 миллисекунд после презентации стимула, совпадая с известнейшими мозговыми сигналами сознательного восприятия, такими как визуальный негативный сигнал, зарегистрированный в предыдущих исследованиях с использованием ЭЭГ.

Чтобы понять, как эти сигналы проходят через мозг, исследователи изучили, как различные области мозга взаимодействуют во время сознательных и бессознательных испытаний. Они измеряли синхронизацию нейронных колебаний, особенно в диапазоне тета-частот (примерно 4–8 Гц), что связано с контрольными и когнитивными процессами. Также проанализировали кросс-частотное взаимодействие, описывающее, как медленные мозговые ритмы могут координировать быструю активность в других областях. Оба показателя показали, что интралмиринные и медиальные таламические области управляют нейронной координацией с префронтальной корой во время сознательного восприятия.

Другими словами, когда участники осознавали стимул, таламус не просто реагировал на сенсорный вход – он активно формировал ответ мозга, посылая сигналы в префронтальную кору и помогая организовать общую активность мозга в поддержку осознания.

Дополнительные анализы показали, что нейронные паттерны в таламусе и префронтальной коре кодировали информацию о том, были ли участники сознательно осознаны стимула, а не просто отражали такие аспекты задания, как силу контраста, моторный ответ или время реакции. Это подтверждает предположение о том, что эти области непосредственным образом участвуют в сознательном восприятии, а не просто являются отражением других когнитивных процессов.

Интересно, что исследователи также обнаружили, что активность в таламусе, особенно в интралмиринных и медиальных ядрах, могла начинаться даже до появления стимула. Эта предшествующая активность была более синхронизированной в тех испытаниях, когда участники потом сообщали о своей осознанности в отношении стимула, предполагая, что эти области могут помогать задавать тон для сознательного восприятия, влияя на состояние готовности мозга.

Это исследование стало первым, предоставившим такие детальные записи из нескольких таламических ядер у людей во время задания, предназначенного для изучения границы между сознательным и бессознательным визуальным восприятием. Предшествующие исследования с использованием методов визуализации, таких как функциональная МРТ или магнитоэнцефалография, намекали на вовлеченность таламуса в восприятие, но не имели достаточной точности, чтобы определить, когда и где происходила эта активность. Использование sEEG предоставило редкую возможность зафиксировать динамику глубоких мозговых структур с высокой временной и пространственной разрешающей способностью.

Полученные результаты предоставляют убедительную поддержку идеи о том, что сознание не является исключительно кортикальным феноменом. Вместо этого, таламус – особенно его высокопорядковые ядра – похоже, играет активную и раннюю роль в том, чтобы сенсорная информация становилась доступной нашему сознанию. Это может отражать уникальное положение таламуса как узла, имеющего широкие связи как с кортикальными, так и с подкорковыми областями мозга, что позволяет ему координировать сложные модели нейронной активности, необходимые для возникновения сознания.

Однако авторы также отметили некоторые ограничения. Исследование было проведено на небольшом числе из пяти пациентов-мужчин, у всех из которых были имплантированы электроды по клиническим причинам, связанным с лечением головной боли. Хотя их когнитивные способности и зрение были в порядке, эти участники не представляют собой широкую популяцию. Более того, расположение электродов определялось медицинскими нуждами, а не целями исследования, что означает, что некоторые области мозга могли быть недостаточно исследованы или пропущены.

Кроме того, хотя исследование убедительно говорит о том, что интралмиринные и медиальные таламические ядра инициируют процесс сознательного восприятия, оно не исключает важные вклады коры. Префронтальная кора, особенно боковые области, по-прежнему показывала значительную активность и принимала участие в синхронизированных нейронных сетях во время осознания. Исследователи предполагают, что таламус может выступать в роли ворот или инициатора, в то время как кора углубляет содержание опыта.

Исследование "Высокопорядковые таламические ядра человека контролируют сознательное восприятие через таламофронтальную петлю" было написано Зепенгом Фаном, Юаньюанем Дангом, Аньань Пингом, Чэнюань Ваном, Цяночуанем Чжао, Хулином Чжао, Сяоли Ли и Минша Чжаном.