Карта сознания: где мозг включает человека

Учёные составили карту глубоких отделов мозга, которые работают как узлы связи для внешней коры — слоя, отвечающего за сложное мышление и осознанное восприятие. Исследование опубликовано в журнале Human Brain Mapping. Его результаты могут помочь точнее выбирать зоны для стимуляции у пациентов с комой и другими тяжёлыми нарушениями сознания.

Сознание поддерживается постоянным обменом информацией между двумя уровнями мозга. Подкорковые структуры, расположенные рядом со стволом мозга, регулируют базовое возбуждение и бодрствование. Кора больших полушарий обеспечивает внимание, восприятие, принятие решений и другие сложные формы осознанной деятельности. Если тяжёлая травма повреждает пути между этими уровнями, человек может впасть в кому или перейти в другое расстройство сознания.

Сегодня для попытки восстановить такие связи используют электрические импульсы, ультразвук и лекарства направленного действия. Но эффективность лечения зависит от того, насколько точно выбрана цель. Поэтому исследователи ищут глубокие «перекрёстки», связанные сразу с несколькими крупными сетями коры.

Команда Morgan K. Cambareri из Massachusetts General Hospital и Boston University проанализировала снимки 168 здоровых добровольцев. Данные были собраны в рамках Human Connectome Project — масштабной программы картирования связей человеческого мозга. Использовалась функциональная МРТ на установке мощностью 7 тесла. Этот метод показывает изменения кровотока, связанные с активностью мозга; участники при этом просто лежали в сканере с открытыми глазами и не выполняли специальных заданий.

Учёные изучили шесть корковых сетей: сеть пассивного режима, активную во время отдыха и мечтаний; сеть исполнительного контроля, связанную с решениями; сеть значимости, которая выделяет важные или потенциально опасные сигналы; дорсальную сеть внимания; зрительную сеть; а также соматомоторную сеть, отвечающую за движение и осязание.

Чтобы сопоставить эти системы с глубокими отделами мозга, исследователи применили метод тензорного разложения. В отличие от подходов, которые загоняют сети в жёсткие непересекающиеся границы, этот математический инструмент допускает их пространственное и временное перекрытие — что лучше соответствует реальной работе мозга.

В результате были найдены подкорковые узлы, синхронизированные сразу с несколькими корковыми сетями. Особенно сильные связи обнаружили в областях, которые уже применялись врачами при лечении нарушений сознания. Вентральная область покрышки среднего мозга была связана с четырьмя сетями. Аналогичные свойства показали центральное латеральное и парафасцикулярное ядра таламуса — структуры рядом с центром мозга, выполняющие роль важного «переключателя» сенсорных и двигательных сигналов.

Ещё один узел обнаружили в понтомезенцефалической покрышке — участке ствола мозга. Он практически совпал с зонами, повреждение которых при травме часто приводит к коме. Это анатомическое совпадение усиливает предположение, что область участвует в поддержании сознания.

Узлы ствола мозга и таламуса особенно тесно взаимодействовали с сетью пассивного режима и сетью значимости. Иными словами, эти системы могут помогать глубоким структурам мозга переводить организм в состояние бодрствования и направлять внимание на важные события.

Связи оказались не только синхронными. Некоторые участки активировались вместе со зрительной и внимательной сетями, но одновременно подавляли активность сети пассивного режима. Среди других широкосвязанных структур оказались миндалевидное тело, гиппокамп, скорлупа и головка хвостатого ядра — области, связанные с эмоциями, памятью, движением и поведением.

Особенно необычным оказался bed nucleus of the stria terminalis — ядро ложа терминальной полоски. Оно было связано со всеми шестью изученными сетями: с четырьмя — положительно, а с двумя — в противофазе, словно сложный распределительный узел.

Однако исследование не доказывает, что найденные области напрямую «включают» сознание. Функциональная МРТ фиксирует совпадения кровотока, но не показывает направление электрических сигналов. Поэтому нельзя уверенно сказать, посылает ли подкорковый узел команду коре или, наоборот, получает её. Высокая связанность тоже не равна контролю сознания: например, головка хвостатого ядра связана со множеством сетей, но клинические данные прежде относят её к поведению и когнитивным функциям, а не к базовому бодрствованию.

Кроме того, в анализ не включили лимбическую сеть, связанную с эмоциями и памятью. Точное совмещение крошечных подкорковых структур у 168 людей также осложнено: особенно в стволе мозга обработка снимков может давать небольшие искажения.

Следующий шаг — объединить функциональную МРТ с прямой электрической регистрацией. Тогда учёные смогут определить, когда именно активируется подкорковый узел и вызывает ли его сигнал пробуждение остальных систем. В исследовании участвовали Morgan K. Cambareri, Andreas Horn, Laura D. Lewis, Jian Li и Brian L. Edlow. Работа называется «Subcortical Hubs of Brain Networks Sustaining Human Consciousness».