НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ И СОЗНАНИЕ

Мышкин И. Ю., (Ярославль)

Также как нет единого определения понятия сознания, так нет единого понимания природы сознания. Наука превратила сознание в объект экспериментального изучения, но душа остается вне сферы науки. Исследователь может рассматривать понятие души либо как миф, созданный из психологических побуждений, либо как религиозную интерпретацию сознания, либо, наконец, принять ее существование как религиозную догму. Если спор о существовании души, ее качествах и проявлениях есть удел богословов и философов, то разумные доводы, ведущие к принятию концепции души или отказу от нее, есть проявления сознания. Мысли обусловлены нейрофизиологической деятельностью мозга. [2].

В настоящее время в психофизиологии общепринятой является точка зрения о том, что наиболее сложные проявления работы мозга, т. е. основы психики и сознания не могут быть объяснены работой какой-то отдельной, изолированной группы нервных клеток, представляющих собой «центр сознания». Сознание связано не только со структурой нейронов, но и с их пространственно-временными отношениями и с воздействием экстрацеребральных факторов. Психические функции возникают на основе объединения в единую систему разных, функционально неоднородных нервных структур и специальной организации процессов мозга, обеспечивающей высокую степень мозговой интеграции. Изучение этой организации и лежит в основе поиска мозговых основ сознания [1]. В данной статье автор не претендует и не ставит задачу изложения всех существующих взглядов на нейрофизиологические основы сознания.

C психологических позиций сознание можно определить как субъективно переживаемую человеком последовательность событий или как осведомленность человека о том, что он воспринимает, и что с ним происходит.

С физиологической точки зрения сознание есть определенное состояние бодрствующего мозга или уровень реактивности мозга.

С позиций психофизиологии сознание - «специфическое состояние мозга, позволяющее осуществлять определенные когнитивные операции». Выход из этого состояния приводит к выключению высших психических функций при сохранении механизмов жизнеобеспечения. Физиологическим условием проявления сознания служит определенный уровень бодрствования. Именно с таких позиций нами рассмотрены некоторые гипотезы о природе сознания.

Осуществление высших психических функций требует оптимального уровня возбудимости мозговых структур. Хотя в обеспечении функций и участвует большое количество структур мозга, в основном корковых, вполне логично предположить, что часть из них выполняет наиболее важную, интегрирующую роль. К таким образованиям относится ретикулярная формация мозга. Все современные концепции о нейрофизиологических основах сознания базируются на открытии в середине 20 века функционального значения ретикулярной формации, в частности неспецифического таламуса, и установление их роли в активации коры больших полушарий. Это позволило некоторым исследователям отождествить сознание с активностью этих систем. Подчеркивая важную роль подкорковых структур в организации сознания Г. Г.Джаспер ввел понятие центрэнцефалической системы. «Те исследователи, которые не поняли правильно мой термин, стали употреблять термин «центрэнцефалон» в отношении какого-то особого отдела мозга, отвечающей за сознание. Выражение «центрэнцефалическая организация» надо рассматривать как протест против положения, которое слишком долгое время удовлетворяло нейрологов и физиологов, а именно, что кора или корково-корковая взаимосвязь является вполне достаточной, чтобы объяснить интегративное поведение человека. Уже давно настало время, когда нужно решительно отказаться от примитивной концепции о том, что различное поведение можно объяснить только в пределах того, что сенсорные пути проходят прямо к коре, а кортико-спинальные моторные пути покидают ее без всякой центральной межполушарной организации и интеграции» [6, с.646].

Три основные модулирующие системы мозга – ретикулярная, лимбическая и таламическая имеют решающее значение не только для поддержания уровня бодрствования, но и для обеспечения энергетического аспекта сознания. Подкорковые структуры определяют не только энергетическую, но и информационную составляющую сознания. Однако, информационный аспект сознания формируется в основном за счет деятельности коры больших полушарий. Нейрофизиологическую основу сознания обеспечивает определенный уровень возбудимости всех мозговых структур и функциональных взаимоотношений корковых и подкорковых образований. Для сознания необходим некий уровень активности ЦНС, в частности коры: слишком низкая нейронная активность (например, при наркозе или коме) с ним несовместима. В то же время сознание невозможно и при чрезмерной активности нейронов, в частности при эпилептических припадках, характеризующихся пиками и волнами на ЭЭГ, оно может выключаться в состоянии ярости, аффекта.

Для понимания роли коры в обеспечении сознания важны представления, сформулированные американским физиологом В. Маунткаслом (1981) об ансамблевой организации коры. Его концепция опирается на ряд положений: структурно-функциональной единицей коры является колонка нейронов, функция которых — получение и переработка информации; колонки различаются по источнику получаемых сигналов и по мишеням, к которым они адресуют собственные сигналы; колонки нейронов могут объединяться в более крупные единицы — модули, осуществляющие более сложную переработку информации; модули функционируют в составе обширных петель, по которым информация не только передается из колонок в другие области коры, но и возвращается обратно. Модули группируются в более крупные объединения, образующие зоны коры. Такой способ организации коры формирует так называемые "распределенные" системы, которые обеспечивают условия для реализации самых сложных психических функций, в том числе и сознания [3].

На основе модульного принципа организации коры Дж. Эделменом был предложен нейрофизиологический механизм обеспечения сознания, получивший название теории повторного входа [8]. В качестве центрального звена возникновения сознания рассматривается механизм повторного входа возбуждения. Имеется в виду, что возбуждение, возникшее в группе нейронов первичной зоны коры, возвращается в ту же нейронную группу после дополнительной обработки информации в других нервных центрах или поступления новой информации из внешней среды, а также из долговременной памяти. Этот повторный вход дает возможность сопоставлять имевшиеся раньше сведения с изменениями, которые произошли в течение одного цикла обработки информации. Объединение двух потоков информации (первичного и вторичного) составляет один цикл или повторяющуюся фазу активности сознания. Прохождение одного цикла возбуждения осуществляется за 100-150 мс. Повторяющиеся циклы создают нейрофизиологическую основу сознания.

Возбуждение функционирует в составе обширных петель, по которым информация, выходя из колонок, передается другим кортикальным и субкортикальным мишеням, а затем возвращается обратно в кору. Эти петли обеспечивают упорядоченное повторное поступление информации в кортикальные ансамбли. Каждая из этих совокупностей, выполняющих одну главную функцию, содержит также более мелкие подгруппы вертикальных единиц, каждая из которых связана с особыми подгруппами других совокупностей, выполняющих свои специфические первоочередные функции. Эти взаимосвязанные подгруппы представляют собой специфическим образом соединенные сети нейронов, которые ветвятся по всей коре. Такая организация обеспечивает параллельную обработку информации по разным каналам и может обладать следующими важными особенностями. Во-первых, любая подгруппа модулей может входить в состав различных систем. Каких именно - это зависит от получаемой в данный момент информации. Во-вторых, и это наиболее важно, осуществление самой сложной функции мозга - способности осуществлять абстрактное мышления, осознавая собственное “я” в совокупности с окружающим миром - может быть результатом деятельности всей “распределенной” системы в целом. Небольшие повреждения (мозга или коры) не смогут уничтожить этот результат в целом, а могут лишь ухудшить его. Процесс восстановления после обширных повреждения связан со способностью сохранившихся подгрупп в уцелевших совокупностях к новому объединению. По мнению автора, такая организация коры может служить основой для объяснения предполагаемых механизмов мышления и сознания. Поскольку “распределенные” системы имеют дело не только с первичными, но и с повторными входными сигналами, кора располагает как информацией внутреннего происхождения (повторной) так и текущей информацией о внешнем мире. Этот непрерывный просмотр воспринимаемых образов наряду с функцией сравнения с прошлыми образами, позволяет коре объединять образы, сформированные в ближайшем прошлом с текущими образами внешнего мира. Сравнение внутренних показаний с текущей информацией и составляет предполагаемую основу сознания.

Представления Дж. Эделмена получили развитие в гипотезе информационного синтеза А. М. Иваницкого [4]. Центральное место в этой концепции занимает синтез этих двух видов информации: текущей и извлекаемой из памяти, который и обеспечивает возникновение ощущения. Он включает кольцевое движение возбуждения по отделам мозга. Из проекционной коры, получающей сигналы от органов чувств, возбуждение поступает в ассоциативную кору (нижневисочную для зрительных стимулов), где сведения сравниваются с эталоном и опознаются. Затем возбуждение переходит на энторинальную кору, находящуюся на внутренней поверхности височной доли полушарий и имеющую отношение к памяти. Там определяется значимость сигнала, его отношение к той или иной потребности организма. Потом импульсы возбуждения перемещаются в мотивационные центры промежуточного мозга, откуда вновь возвращаются по системе диффузных проекций в кору, в том числе и в зоны первичной проекции. Через 100 мс также возникают связи между проекционной и лобной корой. Такой цикл, продолжительность которого составляет около 150 мс, получил название "круг ощущений". Суть его в том, что он обеспечивает сравнение сенсорного сигнала со сведениями, извлеченными из памяти, включая данные о значимости полученной информации, что предположительно и лежит в основе перехода физиологического процесса на уровень психического, субъективного переживания. В результате возникшее ощущение не только точно передает физические характеристики стимула, но и эмоционально окрашено. Вышеприведенная концепция получила название гипотезы информационного синтеза. Помимо информационного синтеза возврат возбуждения по диффузным проекциям обеспечивает и интеграцию отдельных признаков стимула в единый образ. Исследования последних лет показали, что при этом важную роль играет ритм электроэнцефалограммы (ЭЭГ) с частотой около 40 Гц. Именно синхронизация биопотенциалов мозга в диапазоне гамма-ритма создает условия для объединения нейросетей в единую систему, что необходимо для поддержания сознания.

Описанные выше нейрофизиологические феномены такого типа, как повторный вход возбуждения и синхронизация электрической активности нейронов, естественным образом реализуются в распределенных системах.

Последние обладают также еще одной особенностью: поскольку продукция этих систем не может быть результатом деятельности только одного модуля, как было отмечено ранее, выпадение одного или более модулей не может пресечь ее функционирование. Благодаря этому, распределенные системы коры мозга обладают голографическим принципом функционирования.

Голографическая гипотеза функционирования мозга была предложена К. Прибрамом [5]. Суть его голографической теории состоит в том, что информация о входных сигналах распределена по нейронной системе точно так же, как она распределена по всему узору физической голограммы. Распространение свойств голограммы на функции коры мозга означает, что информация в коре мозга распределена, и выпадение какой-то части системы приводит лишь к ослаблению функции, а не к ее потере. При этом любая малая часть голограммы содержит информацию обо всем объекте и, следовательно, может восстановить ее. С уменьшением куска голограммы, с которой восстанавливается информация, происходит снижение ее разрешающей способности. Считывание информации заведомо избыточной информации со всех каналов делает картину внешнего мира более точной и совершенной, плюс актуализация аппарата долговременной памяти – все это и формирует основу сознания. Важную роль в когнитивных процессах отводится механизмам синхронизации ритмов ЭЭГ. В своей теории отражения мира, К. Прибрам связывает память, которая сохраняет и воспроизводит информацию по голографическому принципу, с гиппокампальной формацией. Гиппокампальный тета-ритм рассматривается как механизм сканирования информации.

«Прожекторная теория сознания» была предложена Ф. Криком - одним из авторов расшифровки структуры ДНК, лауреатом Нобелевской премии. Модель сознания Крика построена на анализе работы зрительного анализатора, но автор полагал, что описанная схема может быть использована для объяснения работы всего мозга [7]. Основные предпосылки «прожекторной теории» состоят в следующем. Вся информация поступает в кору по сенсорным путям через релейные ядра в дорзальном таламусе (включая и примыкающие к нему коленчатые тела). Возбудимость релейных ядер регулируется за счет влияний нейронов вентрального отдела таламуса, входящих в состав ретикулярной модулирующей системы. Взаимоотношения между этими частями таламуса построены таким образом, что в каждый данный момент времени одна из нейронных групп дорзального таламуса оказывается в состоянии высокой возбудимости, что значительно усиливает импульсный поток к соответствующим отделам коры, в то время как другие группы оказываются, наоборот, заторможенными. Период такой высокой возбудимости длится около 100 мс, а затем усиленная неспецифическим таламическим возбуждением импульсация поступает к другому отделу коры. Область наиболее высокой активности представляет в данный момент как бы центр внимания, а благодаря перемещению «прожектора» в другие участки становится возможным их объединение в единую систему. В качестве предполагаемого механизма, связывающего нейроны в единую систему, служит появление в ЭЭГ синхронизированных разрядов с частотой 35-70 Гц в гамма-диапазоне. Синхронизация активности является механизмом объединения нейронных ансамблей в различных областях коры в совместную деятельность. Предполагается также, что одновременно могут действовать несколько «прожекторов». Подобная интеграция, по мнению автора, и обеспечивает осуществление высших психических функций.

Таким образом, нейронные процессы, оказавшиеся в центре гипотетического "луча прожектора", определяют содержание нашего сознания в текущий момент времени, а функцию управления лучом прожектора выполняет таламус (центрэнцефалическая система - по Г. Джасперу), создавая в разных зонах коры локальную активацию. По данной гипотезе возникновение сознания возможно только при достижении определенного уровня возбуждения коры больших полушарий.

«Прожекторную теорию» многие исследователи считают продолжением идей И. П. Павлова. Известно, что психологические термины по принципиальным соображениям не использовались в лабораториях Павлова, но он считал, что понимание мозговых основ сознания — одна из главных задач науки о мозге. Изучая процессы концентрации и индукции возбуждения, их распределение по коре, И. П. Павлов предложил гипотезу сознания, которая получила название «теории светлого пятна». Он связывал сознание с фокусом возбуждения, светлым пятном, областью повышенной возбудимости, которая может перемещаться по коре. В поисках ответа на вопрос, «какие нервные процессы происходят в больших полушариях тогда, когда мы говорим, что мы себя сознаем», он предположил, что сознание представлено деятельностью находящегося в состоянии оптимальной возбудимости «творческого» участка коры больших полушарий, где легко образуются условные рефлексы и дифференцировки. Другие участки, где происходит преимущественно поддержание уже образованных рефлексов, связаны с тем, что называется бессознательной деятельностью. «Если бы можно было видеть сквозь черепную коробку и если бы место с оптимальной возбудимостью светилось, то мы увидели бы на думающем сознательном человеке, как по его большим полушариям передвигается постоянно изменяющееся в форме и величине причудливо меняющихся очертаний светлое пятно» [цит. по А. М.Иваницкому]. Действительно, в настоящее время по данным, полученным с использованием метода позитронно-эмиссионной томографии, зона локальной активации действительно имеет вид светлого пятна на темном фоне.

Литература

1. Н. Н.Данилова. Психофизиология. М., 1998.

2. Х. Дельгадо. Мозг и сознание. М.: Мир, 1971. 263с.

3. Дж. Эделман, В. Маунткастл. Разумный мозг. М.: Мир. 1981. 133с.

4. А. М.Иваницкий. Сознание и мозг //В мире науки №11, 2005.

5. К. Прибрам. Языки мозга. M.,1975.

6. Ретикулярная формация мозга /под ред. Г. Г.Джаспера и др./ М.: Медицина 1962 . 661с.

7. F. Crick, C. Koch. Why neuroscience may be able to explain consiousness. //Scientific Amer., 1995, v.273,p. 66

8. G. M.Edelman, G. Tononi Consciousness. How matter becomes imagination. London. Pinguin Books. 2000. 274 p.