В уникально глубоком и детальном исследовании того, как широко используемый анестетик пропофол вызывает бессознательное состояние, сотрудничество лабораторий Института обучения и памяти Пиковера при Массачусетском технологическом институте показало, что по мере того, как препарат начинает действовать в мозге, широкий спектр областей координируется очень медленными ритмами, которые поддерживают соответствующий вялый темп нейронной активности.

Электрическая стимуляция более глубокой области, таламуса, восстанавливает синхронность нормальных высокочастотных ритмов мозга и уровень активности, пробуждая мозг и восстанавливая возбуждение.

"Существует народная психология или негласное предположение, что анестезия просто "выключает" мозг", - сказал Эрл Миллер, профессор нейронауки Пиковер и один из старших авторов исследования в журнале eLife. "Мы показали, что пропофол значительно изменяет и контролирует динамику ритмов мозга".

Сознательные функции, такие как восприятие и познание, зависят от скоординированной коммуникации мозга, в частности, между таламусом и поверхностными областями мозга, или корой, в различных частотных диапазонах от 4 до 100 Гц. Пропофол, как показало исследование, снижает координацию между таламусом и корой головного мозга до частоты около 1 Гц.

Лаборатория Миллера, возглавляемая постдоком Андре Бастосом и бывшим аспирантом Джейкобом Донохью, сотрудничала с лабораторией соавтора Эмери Н. Брауна, профессора медицинской инженерии и вычислительной нейронауки Эдварда Гуда Таплина и анестезиолога Массачусетской больницы общего профиля. Таким образом, это сотрудничество позволило объединить знания лаборатории Миллера о том, как нейронные ритмы координируют работу коры головного мозга для обеспечения сознательной работы мозга, и знания лаборатории Брауна в области неврологии анестезии и статистического анализа нейронных сигналов.

По словам Брауна, исследования, показывающие, как анестетики изменяют мозговые ритмы, могут напрямую повысить безопасность пациентов, поскольку эти ритмы хорошо видны на ЭЭГ в операционной. Главный вывод исследования - наличие очень медленных ритмов в коре головного мозга - предлагает модель для прямого измерения того, когда испытуемые находятся в бессознательном состоянии после введения пропофола, насколько глубоко они поддерживаются в этом состоянии и как быстро они могут очнуться после окончания дозирования пропофола.

"Анестезиологи могут использовать это как способ более эффективного ухода за пациентами", - сказал Браун.

Браун давно изучает, как ритмы мозга влияют на людей под общим наркозом, проводя и анализируя измерения ритмов с помощью скальповых электродов ЭЭГ и, в ограниченной степени, корковых электродов у пациентов с эпилепсией. Поскольку новое исследование проводилось на животных моделях этой динамики, команда смогла имплантировать электроды, которые могли непосредственно измерить активность или "шипение" многих отдельных нейронов и ритмы в коре головного мозга и таламусе. По словам Брауна, полученные результаты значительно углубляют и расширяют его выводы, сделанные на людях.

Например, те же самые нейроны, которые во время бодрствования стрекотали с частотой 7-10 раз в секунду, во время бессознательного состояния, вызванного пропофолом, как правило, стреляли всего один раз в секунду или реже, что собственно и называется "состоянием покоя". Всего ученые провели подробные одновременные измерения ритмов и спайков в пяти областях: две в передней части коры, две в задней и таламус.

"Удивительно то, что мы получаем данные вплоть до уровня шипиков", - сказал Браун. "Медленные осцилляции модулируют пиковую активность на больших участках коры".

"Исследование объясняет, как пропофол вызывает бессознательное состояние, но оно также помогает объяснить единый опыт сознания. Для возникновения сознания вся кора головного мозга должна быть на одной странице", - сказал Миллер. "Одна из теорий о том, как это работает, заключается в таламо-кортикальных петлях, которые позволяют коре синхронизироваться. Возможно, пропофол нарушает нормальную работу этих петель, гиперсинхронизируя их в длительном состоянии покоя. Это нарушает способность коры головного мозга к коммуникации".

Например, проводя измерения в отдельных слоях коры головного мозга, команда обнаружила, что более высокочастотные "гамма" ритмы, которые обычно ассоциируются с новой сенсорной информацией, такой как зрелища и звуки, были особенно снижены в поверхностных слоях. Более низкочастотные "альфа" и "бета" волны, которые, как показал Миллер, регулируют обработку информации, передаваемой гамма-ритмами, были особенно снижены в более глубоких слоях.

Помимо преобладания синхронности на очень медленных частотах, команда отметила в полученных данных и другие признаки бессознательного состояния. Как Браун и другие исследователи наблюдали ранее у людей, мощность альфа- и бета-ритмов была заметно выше в задних областях коры во время бодрствования, но после потери сознания мощность этих ритмов менялась на гораздо более высокую в передних областях.

Далее команда показала, что стимуляция таламуса высокочастотным импульсом тока (180 Гц) отменяет действие пропофола.

"Стимуляция вызвала бодрствующее состояние коры головного мозга, увеличив частоту спайков и уменьшив мощность медленных частот", - пишут авторы в исследовании. "Во всех областях наблюдалось значительное увеличение количества пиков во время интервала стимуляции по сравнению с исходным уровнем до стимуляции".

Помимо Миллера, Брауна, Бастоса и Донохью, другими авторами работы являются Скотт Бринкат, Мередит Манке, Хорхе Янар, Хосефина Корреа, Айан Уэйт, Микаэль Лундквист и Джефферсон Рой. 

Перевод: Агеева Александра