Ритмы мозга
Обширные группы нервных клеток демонстрируют повторяющиеся рисунки деятельности, именуемые ритмами мозга; они отличаются друг от друга по амплитуде, частоте и времени возникновения. Синхронизация этих ритмов внутри той или иной области и между различными участками мозга представляется чрезвычайно важной для процессов обработки нейронной информации.
Отдельные нейроны демонстрируют спонтанные, ритмические последовательности электрической активности в форме потенциалов действия, и клетки, расположенные в одной и той же части мозга, образуют ядра, или кластеры, протягивающие аксоны к одному и тому же целевому участку мозга. Такая организация возникает в период развития мозга — так образуются функциональные сети с предельно точными нейронными путями. Клетки внутри таких путей связаны друг с другом не только химическими, но и электрическими синапсами, или щелевыми контактами, позволяющими координировать их деятельность и одномоментное срабатывание.
Синхронизированные всплески электрической активности, генерируемой большим количеством нейронных скоплений, состоящих из миллионов клеток, известны и как ритмы мозга; их можно засечь снаружи черепа с помощью двух методик сканирования: электроэнцефалографически (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографически (МЭГ). Со времен их открытия в конце 1920-х годов мы знали, что у ритмов мозга свои особые рисунки, однако лишь недавно начали понимать их значимость для обработки мозгом информации.
Ритмы жизни
Ритмы мозга обычно характеризуются тремя параметрами. Первый — частота, измеряемая в герцах (количество циклов в секунду); частоты ритмов мозга колеблются от 1 Гц сверхмедленных колебаний до сверхбыстрых — более 600 Гц. Второй параметр — амплитуда, или размер волны; при записи ЭЭГ амплитуды ритмов мозга обычно колеблются от 1 до 10 микровольт. Третий параметр — фаза, или время возникновения волны; эта характеристика может меняться и синхронизировать деятельность нейронов внутри одной области мозга и между разными областями; этот процесс называется фазовой синхронизацией.
Существует по меньшей мере десяток различных рисунков ритмов мозга, среди них:
Альфа-ритмы: низкоамплитудные колебания с частотой от 8 до 12 Гц. Характеризуют спокойное, расслабленное состояние, генерируются преимущественно затылочной долей.
Бета-ритмы: низкоамплитудные колебания с частотой от 12 до 30 Гц. Связаны с бдительным состоянием нормального, бодрствующего сознания и производятся лобными долями, когда мы сосредоточены или осуществляем произвольные движения.
Гамма-ритмы: высокоамплитудные колебания с частотой от 20 до 100 Гц. Гамма-ритмы возникают в затылочной доле и ассоциируются с вниманием; существует предположение, что частоты выше 40 Гц играют важную роль в проявлении сознания.
Тета-ритмы: низкоамплитудные колебания с частотой от 4 до 7 Гц. Особенно сильны в гиппокампе и связаны с обучением и памятью.
Различные области мозга генерируют ритмы в различных диапазонах частот, чтобы избежать помех и, возможно, ради создания множественных перекрывающихся частот коммуникации. К примеру, структуры медиальной височной доли, в том числе гиппокамп, производят ритмы в основном в тета-диапазоне (4-6 Гц), области внешней поверхности теменной доли действуют в бета-диапазоне (12-30 Гц), а сенсорная и двигательная области производят колебания еще более высоких частот (32-45 Гц). Такое распределение частот обусловлено, возможно, разностью видов нейронов или отличиями в клеточной организации тех или иных областей мозга. Аналогично клетки внутри того или иного слоя коры головного мозга генерируют ритмы разных частот.
Исследования не только во сне
Ритмы мозга традиционно изучали в контексте сна, состоящего из нескольких отдельных фаз, каждая характеризуется определенным волновым рисунком. Однако за последние несколько десятилетий исследователи осознали, что ритмы мозга играют важную роль в многочисленных умственных процессах.
Мы только начинаем понимать роль ритмов мозга в умственных функциях и поведении, однако наше знание этих процессов углубится вместе с усовершенствованием методик сканирования мозга.
Отдельные клетки, активизирующиеся при выполнении некой задачи, могут «перезапустить» таймер своей электрической деятельности и синхронизировать ее с частотами ритмов прилежащих тканей. Эта способность, судя по всему, облегчает мозгу переработку информации. Синхронизированные ритмы в пределах отдельного скопления нейронов объединяют их в функциональную сеть, и синхрония между нейронными общностями в разных областях мозга может координировать их деятельность и помогать передаче информации между областями. Синхрония может возникать, когда ритмы одной частоты спарены (согласованы) между собой, либо когда низкочастотные ритмы «встроены» в более высокочастотные.
«Синхронизация нейронной разрядки может служить интеграции распределенных нейронов... и лежать в основе отбора важной для поведения информации» Андреас Энгель (р. 1943), швейцарский биолог-структуралист
У крыс, занятых задачами на пространственную ориентацию — например, поиском выхода из лабиринта, — ритмы гиппокампа преимущественно в тета-диапазоне, и этот рисунок представляется значимым для улучшения кодирования пространственных воспоминаний. Тета-ритмы также связаны с «перемоткой» в гиппокампе, при которой следы памяти реактивируются после кодирования и тем самым консолидируются (укрепляются).
Гамма-ритмы — важная часть феномена сознания, именуемая «задачей связности»: потенциалы действия в разных участках мозга производят объединенное восприятие отдельных предметов. Красный квадрат и синий круг, если посмотреть на них одновременно, к примеру, генерируют одинаковые импульсы, однако откуда мозг «знает», что красный — это квадрат, а синий — круг? Первые исследования, опубликованные в 1988 году, показывают, что наблюдаемые раздражители вызывают в нейронах зрительной коры обезьян синхронные ритмы с частотой 40 Гц, и некоторые выдающиеся исследователи пришли к предположению, что эта частота — важнейшая для зрительного постижения и сознания.
«Психическая энергия»
Электроэнцефалографию (ЭЭГ) придумал в 1920-х годах немецкий психиатр Ханс Бергер. Его интересовали психические явления вроде телепатии, и он верил, что у них есть физические основания — «психическая энергия», которую можно передавать от человека к человеку. Бергер увлекся изучением перемен в кровоснабжении мозга при той или иной его деятельности. Вдохновившись работами Ричарда Кэтона, британского психолога, открывшего спонтанную электрическую активность в мозге кроликов и обезьян еще в 1870-х годах, он начал применять электроды для измерения электрической активности мозга у пациентов, которым проделывали дырки в черепе перед хирургическими операциями на мозге. Бергер зарегистрировал первую ЭЭГ человека в 1925 году и быстро заметил у ритмов мозга разные рисунки. Он первым описал альфа-ритмы, и они даже были названы его именем. Он заметил, что альфа-ритмы легко подавляются, или замещаются, более высокочастотными бета-ритмами, стоило только испытуемому открыть глаза и перейти из расслабленного в сосредоточенное состояние.
