Всяка секунда човешкият мозък обработва огромни количества информация. Ние възприемаме цветове, чуваме звуци, усещаме допир, мислим и вземаме решения. Но как точно мозъкът ни преминава от състояние на пълна отпуснатост — дълбок сън без сънища — към състояние на активно бодърстване? И какво се случва в моментите, когато спим, но при това виждаме ярки, реалистични сънища?
Отговорите на тези въпроси изследователите търсят на границата между физиологията и физиката. За да разберем по какъв начин мозъкът управлява нашите състояния, е необходимо да изучим процесите, протичащи в неговите дълбоки отдели.
Ролята на таламуса в работата на нервната система
В самия център на мозъка се намира област, наречена таламус. Това е най-важният център на нашата нервна система. През таламуса преминават практически всички сигнали от сетивните органи (с изключение само на обонянието), преди да достигнат кората на големите полукълба. Кората е външният слой на мозъка, където тези сигнали се преобразуват в нашите съзнателни мисли, образи и решения.
Таламусът изпълнява най-важната функция: той определя коя точно информация заслужава вниманието на кората във всеки един момент, а коя може да бъде игнорирана. Например, когато даден човек е съсредоточен върху четенето на книга, таламусът потиска сигналите от фоновия шум на улицата, за да не отвличат вниманието. Именно тази структура отговаря за превключването на режимите на работа на мозъка между сън и бодърстване.
Изследването на работата на дълбоките части на мозъка на жив човек е изключително сложно. Повечето изследвания на мозъчната активност се провеждат с помощта на електроенцефалография. На главата на човека се поставя специална шапка със сензори, които фиксират електрическите сигнали на кората.
Този метод обаче има сериозни физически ограничения. Костите на черепа, кожата и мозъчните обвивки отслабват електрическите сигнали, идващи от дълбините на мозъка. Те пропускат към повърхността само бавните вълни. Да се види с помощта на обикновена електроенцефалограма какво се случва вътре в таламуса е практически невъзможно. За това е необходим пряк достъп до нервните клетки в тази област.
Уникалният експеримент с участието на пациенти
Възможността за регистриране на електрическите сигнали директно от таламуса се среща изключително рядко в медицинската практика. Немски специалисти от Мюнхен успяха да проведат такова изследване благодарение на участието на 17 доброволци.
Всички тези хора са страдали от тежка форма на епилепсия. При това заболяване в мозъка възникват необичайни електрически разряди, които водят до конвулсивни припадъци. В случаите, когато конвенционалните антиконвулсивни медикаменти не помагат за справяне със заболяването, лекарите използват хирургичен метод на лечение. Те поставят тънки електроди в дълбоките структури на мозъка на пациента.
Тези електроди са свързани с невростимулатор – устройство, което се имплантира под кожата в областта на ключицата. Устройството изпраща слаби електрически сигнали към мозъка, като потиска активността на пристъпите още в самото начало. Този метод на лечение се нарича дълбока мозъчна стимулация.
Докато пациентите се подготвят за терапията, електродите вече са поставени в мозъка, но все още не са свързани с постоянния стимулатор. През този кратък период от време изследователите са имали възможност да записват естествените електрически сигнали, преминаващи през таламуса на пациентите. Записите се съхраняват непрекъснато за дълги периоди от време, докато хората спят, общуват, четат или почиват през деня. В резултат на това учените са събрали уникално количество данни – средно 40 часа записи за всеки пациент.
Откриването на ритъма от 28-34 херца
Работата на нервната ни система се основава на предаването на слаби електрически импулси между мозъчните клетки. Когато милиони нервни клетки работят едновременно и синхронно, те създават електрически вълни. Учените ги наричат мозъчни ритми.
Честотата на тези вълни се измерва в херцове – броят на трептенията за една секунда. Физиолозите отдавна знаят, че на различните човешки състояния съответстват различни честоти. По време на дълбокия сън преобладават бавните вълни (от 1 до 4 колебания в секунда). По-бързите вълни се регистрират в моменти на активно мислене или концентрация.
След като анализират преките записи от таламуса на пациентите, авторите на изследването откриват нов, неизвестен досега ритъм. Това са бързи електрически осцилации в диапазона от 20 до 45 херца. По-често устройството регистрирало стабилна честота около 28 до 34 осцилации в секунда.
Този ритъм се държал по строго определен начин в зависимост от състоянието на човека:
- Той се е записвал непрекъснато по време на бодърстване, когато лицето е било будно и е реагирало на външните дразнители.
- Той се е съхранявал и във фазата REM, когато човекът е спял, но е сънувал.
- Той напълно изчезвал, когато човекът изпадал в дълбок сън без сънища.
В моментите на дълбок сън този ритъм бил заменен от бавни електрически вълни с честота от 11 до 17 херца, които учените наричат сънни вретена.
Единен източник на две различни състояния
Учените са извършили подробен статистически анализ на структурата на откритите бързи ритмични изблици и бавните вълни на дълбокия сън. Те сравнили тяхната амплитуда (височината на електрическата вълна) и продължителността им. Резултатите показаха много силна математическа връзка между тези параметри.
Това означава, че и двата ритъма – бавният ритъм на дълбокия сън и бързият ритъм на будността – се създават от едни и същи нервни клетки в таламуса. Физиологичният им механизъм е един и същ. Разликата е само в химическата среда, която заобикаля клетките в различните моменти от време.
Когато човек изпадне в дълбок сън, мозъкът произвежда определени химикали, които потискат дейността на нервната система. Под тяхното въздействие клетките на таламуса започват да генерират бавни осцилации с честота 11-17 херца. Тези бавни вълни физически блокират преминаването на сигналите от сетивата към кората на полукълбата. В резултат на това човекът не реагира на слабите звуци и на светлината и сънят му остава стабилен.
Когато човек се събуди или навлезе във фазата на сънуване, в мозъка се освобождават други химични вещества, като ацетилхолин. Тези вещества карат същите таламусни клетки незабавно да увеличат честотата на генериране на импулси до 28-34 херца. В този режим таламусът става напълно пропусклив за информацията. Сигналите могат да преминават свободно към кората на големите полукълба.
Връзката с движенията на очите по време на сън
Фазата на REM съня се характеризира с това, че човек сънува. През този период очните му ябълки започват да извършват бързи движения под затворените клепачи. Това явление е пряко свързано с факта, че човекът в този момент наблюдава обектите в съня си.
Мюнхенските изследователи решават да проверят как откритият от тях ритъм на таламуса е свързан с тези движения на очите. С помощта на електроди, прикрепени към лицето на пациентите около очите, те записват всяко движение на очните ябълки по време на съня.
Оказва се, че активността на бързия ритъм с честота 28-34 херца рязко се увеличава в секундите на съня, когато човек започва да прави движения на очите. Това е пряко доказателство, че по време на сънищата таламусът работи в същия режим, както в реално будно състояние. Той активно предава информация на кората на главния мозък, което кара човека да възприема образите от сънищата като реални събития.
Значимостта за лечението на разстройствата на съзнанието
Изследователите съпоставили данните от магнитно-резонансната томография (МРТ) на всеки пациент с точното местоположение на електродите в мозъка. Това им позволило да определят коя конкретна област на таламуса генерира открития бърз ритъм.
Оказва се, че тази област е централният таламус. Тази област е от ключово значение за клиничната медицина. Именно централният таламус е отговорен за поддържането на общото ниво на мозъчната активност и за активирането на кората на главния мозък.
В съвременната медицина методът на дълбока стимулация на централния таламус се тества за възстановяване на съзнанието при хора, които са в кома, вегетативно състояние или състояние на минимално съзнание след тежки травми на главата, инсулти или лишаване на мозъка от кислород. Лекарите поставят електроди в мозъка на такива пациенти и прилагат електрически ток към тях, за да стимулират нервните клетки и да върнат съзнанието на човека.
Досега резултатите от тези операции са непостоянни. При някои пациенти се наблюдава значително подобрение, докато други не реагират на стимулацията. Резултатите от проучването на мюнхенските невролози обясняват причините за тези неуспехи.
Преди това параметрите на електрическия ток за стимулация са били избирани, без да се вземат предвид естествените физиологични ритми на тази мозъчна зона. Лекарите подаваха сигнали с честоти, които не съответстваха на естествената активност на таламуса на будния човек.
Сега, когато учените знаят, че естествената работна честота на централния таламус в състояние на съзнание е 28-34 херца, параметрите на стимулаторите могат да бъдат коригирани. Подаването на електрически импулси с естествената честота на мозъка ще подобри значително възстановяването на пациенти с тежки мозъчни увреждания.
Новото разбиране за природата на съзнанието
Дълго време в научната общност доминираше мнението, че съзнанието е резултат от работата само на мозъчната кора. Новите доказателства обаче показват, че кората на главния мозък не може да функционира правилно без постоянната подкрепа на дълбоките структури. Централният таламус произвежда основния електрически ритъм с определена честота, който координира работата на останалата част от нервната система.
Ако този ритъм се наруши или напълно изчезне, човек губи съзнание, заспива или изпада в кома. Ако ритъмът е стабилен, мозъчната кора получава необходимата електрическа активност, за да обработва мислите, емоциите, спомените и възприятията за околния свят.
В бъдеще резултатите от това изследване могат да помогнат при изучаването на причините за различните психични разстройства, нарушенията на съня и механизмите на работа на паметта. Научната работа доказва, че дори най-сложните функции на човешкия ум са подчинени на строгите закони на мозъчната физиология.
Всичко важно от света на технологиите, директно в пощата ти.
С абонирането приемате нашите Условия и Политика за поверителност. Може да се отпишете с един клик по всяко време.
Коментирайте статията в нашите Форуми. За да научите първи най-важното, харесайте страницата ни във Facebook, и ни последвайте в Google Новини, TikTok, Telegram и Viber или изтеглете приложението на Kaldata.com за Android, iPhone, Huawei, Google Chrome, Microsoft Edge и Opera!
