Мозг может управлять мышлением не только через связи между нейронами. Новая теория предлагает другой механизм: бегущие волны электрической активности быстро объединяют нужные нервные клетки, переключают мозг между задачами и помогают одновременно обрабатывать несколько потоков информации. Исследователи предполагают, что взаимодействие волн позволяет нервной ткани выполнять аналоговые вычисления, а согласованное распространение электрической активности по коре может быть одним из условий сознания .
Привычное сравнение мозга с электронной схемой объясняет лишь часть его работы. Нейроны соединены синапсами, через которые передают сигналы друг другу. Сила синаптических связей меняется при обучении и помогает сохранять воспоминания, приобретённые знания, текущие цели и другие представления. Однако мозгу приходится не только хранить информацию. Каждую секунду зрение, слух и остальные органы чувств поставляют новые данные, а нервная система должна за доли секунды выбрать нужные знания, сопоставить их с происходящим и подготовить ответ.
Постоянно перестраивать для каждой задачи физические связи между нейронами слишком медленно. Изменение синапсов зависит от клеточных и биохимических процессов, тогда как человеку приходится мгновенно узнавать предметы, удерживать информацию в рабочей памяти, замечать изменения вокруг, подавлять отвлекающие сигналы и принимать решения. Поэтому исследователи ищут более быстрый механизм, который способен координировать миллионы клеток без перестройки нейронной сети после каждого нового события.
На эту роль претендуют мозговые ритмы. Нейроны не всегда возбуждаются независимо друг от друга. Активность больших групп клеток может синхронно усиливаться и ослабевать, формируя электрические колебания разных частот. Многие колебания при этом не остаются на одном месте, а распространяются по ткани в виде бегущих волн. Авторы новой теории считают волновую динамику системой быстрого управления, которая определяет, какие нейроны будут работать вместе в конкретный момент.
Особенно важна смешанная селективность нейронов. Нервная клетка далеко не всегда отвечает только на один признак или выполняет единственную функцию. Активность одного нейрона может зависеть сразу от нескольких параметров, например от увиденного объекта, контекста, текущей задачи и последовательности событий. Благодаря смешанной селективности одни и те же клетки могут входить в разные функциональные ансамбли и участвовать в разных вычислениях.
Гибкость даёт мозгу огромные вычислительные возможности, но одновременно создаёт проблему управления. Если отдельный нейрон способен участвовать сразу в нескольких процессах, нервной системе приходится постоянно выбирать нужную комбинацию клеток. Создавать отдельную постоянную цепь для каждой возможной ситуации невозможно из-за колоссального числа сочетаний. Волны позволяют менять состав активных ансамблей без изменения самих синаптических соединений.
Исследования мозговых ритмов показывают, что колебания разных частот связаны с разными сторонами обработки информации. В новой модели особая роль отведена сравнительно медленным альфа- и бета-ритмам и более быстрым гамма-колебаниям. Альфа- и бета-волны связаны с информацией из памяти, текущими целями и предиктивным кодированием, при котором мозг использует накопленный опыт для прогнозирования поступающих сенсорных сигналов. Гамма-ритм теснее связан с обработкой информации, которая поступает от органов чувств прямо сейчас.
Медленные и быстрые колебания работают не изолированно. Альфа- и бета-ритмы могут регулировать гамма-активность и тем самым определять, где именно мозг будет интенсивно обрабатывать сенсорные данные. Накопленные знания и текущая задача фактически влияют на то, какие входящие сигналы получат приоритет.
Авторы связывают происхождение управляющих альфа- и бета-волн с согласованной импульсной активностью нейронов. Сами нейронные цепи и синапсы при этом сохраняют информацию, а волновая динамика помогает выбирать нужные представления в нужный момент. Мозгу не приходится заново формировать сеть всякий раз, когда внимание переключается с одного объекта на другой или меняется задача.
Эксперименты последних лет добавили к этой схеме ещё один механизм. Нейроны создают вокруг себя электрические поля, а поля способны влиять на электрическое состояние соседних клеток. Передача влияния без непосредственного синаптического контакта называется эфаптической связью. Нервная клетка в таком случае реагирует на изменение электрического потенциала окружающей среды, которое создают другие активные нейроны.
Механизм важен из-за скорости. При обычной химической передаче сигнала через синапс нейрон выделяет нейромедиатор, молекулы достигают рецепторов соседней клетки и меняют её состояние. Электрическое поле воздействует на возбудимость окружающих клеток без промежуточной химической передачи. Поэтому возникшая из активности нейронов волна теоретически способна почти сразу влиять на последующие импульсы и синхронизировать работу группы клеток.
Мозговая волна при этом может перемещаться по коре. Бегущие волны действительно регистрируют в разных отделах коры, а также в других структурах мозга. Пространственное перемещение позволяет одному ритму последовательно менять активность разных участков. Согласно новой модели, бета-волна может проходить по коре и определять, где и когда гамма-активность получит возможность интенсивно обрабатывать сенсорные данные.
В результате состав работающей нейронной группы способен меняться вместе с движением волны. В одном участке усиливается обработка одного потока информации, затем активная область смещается. Авторы считают, что мозг таким способом распределяет вычисления не только во времени, но и в пространстве.
Отсюда появляется центральная идея новой работы — пространственно-временные вычисления. Важна не одна частота колебаний. Значение имеют положение волны, направление движения, момент прохождения через конкретный участок коры и взаимодействие с другими волнами. При встрече колебания могут складываться или частично гасить друг друга. Физика процесса напоминает интерференцию любых других волн.
Именно интерференция позволяет предположить существование аналоговых вычислений в нервной ткани. Цифровой компьютер обрабатывает дискретные состояния с помощью последовательности логических операций. Аналоговые вычисления работают с непрерывно изменяющимися физическими величинами и позволяют нескольким процессам идти параллельно. В мозге роль физических величин могут выполнять амплитуда, фаза и пространственное распределение электрических волн.
При наложении двух волн электрическая активность в одной области может усилиться, а в другой ослабнуть. Меняется вероятность возбуждения нейронов, а вместе с ней меняется и состав клеток, подключённых к обработке информации. Таким способом сама физика электрической активности потенциально участвует в вычислении, а не просто сопровождает передачу сигналов между нейронами.
Параллельная обработка хорошо согласуется с устройством мозга. Огромное количество нейронов работает одновременно, поэтому нервная система не обязана завершать одну операцию перед запуском следующей. Разные ритмы распространяются по коре, пересекаются и регулируют локальные группы клеток. Авторы предполагают, что мозг использует уже существующие электрические процессы как дополнительный вычислительный слой поверх относительно устойчивой сети синаптических связей.
Пока гипотеза не доказана напрямую. Эксперименты подтверждают существование бегущих волн, взаимодействие разных ритмов, смешанную селективность нейронов и влияние электрических полей на активность клеток. Однако наблюдений недостаточно, чтобы утверждать, что интерференция волн действительно выполняет конкретные аналоговые операции. Следующий этап исследований должен найти в мозговых ритмах измеримые признаки вычислений, которые предсказывает теория.
Авторы распространяют волновую модель и на сознание. Согласно предложенной гипотезе, сознательное состояние зависит от способности мозговых волн согласовывать активность удалённых участков коры. В нормальном состоянии разные области получают возможность обмениваться влиянием и объединять локальные процессы в крупную координированную систему.
Весомый аргумент даёт общая анестезия . В предыдущих экспериментах исследователи изучали три анестетика с разными молекулярными механизмами действия. Все три препарата нарушали нормальную динамику мозговых волн и приводили к потере сознания. Совпадение результата при разных молекулярных мишенях поддерживает предположение, что сознание зависит от сохранности крупномасштабной волновой организации мозга, а не от работы единственного рецептора или одного типа клеток.
Отдельные нейроны и локальные участки мозга при анестезии не обязательно полностью прекращают работу. Меняется способ координации активности между областями. Волновая теория связывает потерю сознания именно с нарушением согласованной работы распределённой сети.
Гипотеза может получить практическое применение, если дальнейшие эксперименты подтвердят причинную роль волн. На мозговые ритмы можно воздействовать неинвазивными методами, поэтому параметры электрических колебаний рассматривают как возможную мишень для будущих методов лечения нарушений работы нейронных сетей. Авторы работы уже участвуют в исследованиях волновой динамики при аутизме, однако новая теория пока не даёт готового способа терапии.
Исследователи также обращают внимание на энергозатраты. Мозг выполняет огромное количество параллельных операций при сравнительно небольшом энергопотреблении. Использование электрических полей, которые нервная ткань и без того создаёт при работе, может помогать координировать нейроны без отдельной передачи каждого управляющего сигнала по длинной последовательности синапсов. Проверить главную часть гипотезы теперь предстоит экспериментально: учёным нужно обнаружить в реальных мозговых волнах признаки аналоговых вычислений и показать, что интерференция непосредственно меняет обработку информации.