Нове дослідження, опубліковане в журналі Science, визначило таламус як центрального гравця в тому, як люди усвідомлюють візуальну інформацію. Записуючи електричну активність безпосередньо в мозку п'яти пацієнтів під час виконання візуального завдання, вчені виявили, що певні таламічні області активуються раніше та сильніше в моменти візуального усвідомлення. Ці результати свідчать про те, що інтраламінарне та медіальне ядра таламуса діють як шлюз, який ініціює свідоме сприйняття, впливаючи на активність префронтальної кори.

Таламус – це невелика яйцеподібна структура, розташована глибоко в центрі мозку. Він діє як центр передачі сенсорної інформації, такої як зір, звук і дотик, до кори головного мозку, де відбувається сприйняття та інтерпретація. Окрім цієї ретрансляційної ролі, він також допомагає регулювати пильність, сон і увагу.

Хоча таламус довгий час вважався ретрансляційною станцією для сенсорної інформації, його здебільшого розглядали як допоміжний актор — важливий для підтримки неспання, але не як фактичне джерело свідомого досвіду. Поточне дослідження спростовує цю ідею, пропонуючи нові докази того, що таламус робить більше, ніж просто передає сигнали. Він може активно формувати те, що потрапляє в нашу свідомість.

Щоб дослідити це, дослідницька група скористалася унікальною можливістю зафіксувати глибоку активність мозку у людей. П'ятьом дорослим чоловікам, які проходили лікування від сильних, стійких до ліків головних болів, у мозок імплантували електроди стереоелектроенцефалографії (сЕЕГ). Ці електроди дозволили дослідникам моніторити нейронну активність у режимі реального часу в кількох ділянках мозку, включаючи різні частини таламуса та префронтальної кори.

Учасники виконували завдання на візуальну усвідомленість, яке включало зображення на межі свідомої видимості. Під час кожної спроби з одного боку центральної точки фіксації ненадовго з'являвся візерунчастий стимул. Деякі зображення були яскравими та чітко видимими, тоді як інші були слабкими та їх було важко розпізнати. Іноді стимул взагалі не відображався. Після кожної спроби учасники відповідали рухом очей, вказуючи, чи бачили вони стимул і де він з'явився.
Така установка дозволила дослідникам порівняти активність мозку між випробуваннями, де учасники свідомо бачили стимул, і випробуваннями, де вони його не бачили, навіть якщо візуальний вхідний сигнал був майже ідентичним. Цей критичний контраст допоміг виділити нейронні процеси, пов'язані безпосередньо з усвідомленням, а не просто сенсорний вхідний сигнал.

Результати показали, що певні ділянки глибоко в таламусі, зокрема центральне медіальне ядро, медіодорсальне медіальне ядро ​​та парафасцикулярне ядро, демонстрували підвищену активність під час випробувань, коли учасники повідомляли про спостереження за стимулом. Ці ділянки відомі як інтраламінарні та медіальні ядра таламуса. Їхні реакції відбувалися раніше та з більшою інтенсивністю, ніж активність в інших ділянках таламуса, таких як вентральні ядра, і навіть раніше, ніж реакції в префронтальній корі.

Використовуючи низку аналізів, дослідники виявили, що ці ядра таламуса вищого порядку демонстрували сильніші електричні сигнали, посилені низькочастотні коливання та більш синхронізовану активність у моменти усвідомлення. Важливо, що час цієї активності — починаючи приблизно через 200 мілісекунд після пред'явлення стимулу – збігався з найдавнішими відомими мозковими сигналами свідомого сприйняття, такими як сигнал негативності візуальної усвідомленості, зафіксований у попередніх дослідженнях на скальпі.

Щоб зрозуміти, як ці сигнали поширюються через мозок, дослідники вивчили, як різні області мозку взаємодіяли під час свідомих та несвідомих випробувань. Вони виміряли синхронізацію нейронних коливань, зокрема в тета-діапазоні (близько 4–8 Гц), який пов'язують з когнітивним контролем та усвідомленням. Вони також проаналізували перехресне зв'язування частот, яке описує, як повільні ритми мозку можуть координувати швидшу активність в інших областях. Обидва вимірювання показали, що інтраламінарні та медіальні таламічні області керували нейронною координацією з префронтальною корою під час свідомого сприйняття.

Іншими словами, коли учасники усвідомлювали подразник, таламус не просто реагував на сенсорні вхідні дані, а активно формував реакцію мозку, надсилаючи сигнали до префронтальної кори та допомагаючи організовувати активність усього мозку для підтримки усвідомлення.

Додаткові аналізи показали, що нейронні патерни в таламусі та префронтальній корі кодували інформацію про те, чи учасники свідомо усвідомлювали стимул, а не просто відображали такі аспекти завдання, як сила контрасту, рухова реакція чи час реакції. Це підтверджує, що ці області безпосередньо залучені до свідомого сприйняття, а не лише відображають інші когнітивні процеси.
Цікаво, що дослідники також виявили, що активність у таламусі, особливо в інтраламінарному та медіальному ядрах, могла розпочатися ще до появи стимулу. Ця активність до стимулу була більш синхронізованою у випробуваннях, де учасники пізніше повідомляли про усвідомлення стимулу, що свідчить про те, що ці області можуть допомогти створити основу для свідомого сприйняття, впливаючи на стан готовності мозку.

Це дослідження є першим, яке пропонує такі детальні записи з кількох ядер таламуса у людей під час завдання, спрямованого на дослідження межі між свідомим та несвідомим зоровим сприйняттям. Попередні дослідження з використанням методів візуалізації, таких як функціональна МРТ або магнітоенцефалографія, натякали на участь таламуса в усвідомленні, але не мали достатньої точності, щоб точно визначити, коли і де відбувалася ця активність. Використання sEEG тут надало рідкісну можливість зафіксувати динаміку глибоких структур мозку з високою часовою та просторовою роздільною здатністю.

Отримані результати переконливо підтверджують ідею про те, що свідомість — це не виключно коркове явище. Натомість, таламус, особливо його ядра вищого порядку, здається, відіграє активну та ранню роль у наданні сенсорної інформації нашій свідомості. Це може відображати унікальне положення таламуса як центру, з широкими зв'язками як з корковими, так і з підкорковими ділянками мозку, що дозволяє йому координувати складні патерни нейронної активності, необхідні для виникнення свідомості.

Однак автори відзначають деякі обмеження. Дослідження було проведено на невеликій вибірці з п'яти пацієнтів чоловічої статі, всім з яких були імплантовані електроди з клінічних причин, пов'язаних з лікуванням головного болю. Хоча їхні когнітивні здібності та зір були збережені, ці учасники не представляють загальну популяцію. Більше того, розміщення електродів визначалося медичною потребою, а не дослідницькими цілями, а це означає, що деякі області мозку могли бути недостатньо охоплені вибіркою або повністю пропущені.

Крім того, хоча дослідження переконливо свідчить про те, що інтраламінарні та медіальні ядра таламуса ініціюють процес свідомого сприйняття, воно не виключає важливого внеску кори. Префронтальна кора, особливо латеральні ділянки, все ще демонструвала значну активність і брала участь у синхронізованих нейронних мережах під час усвідомлення. Дослідники припускають, що таламус може діяти як ворота або ініціатор, тоді як кора детально обробляє зміст досвіду.
Дослідження під назвою «Свідоме сприйняття воріт вищих ядер таламуса людини через таламофронтальну петлю» було проведене Цепеном Фангом, Юаньюанем Дангом, Аньань Пінгом, Ченьюй Вангом, Цяньчуанем Чжао, Хулінем Чжао, Сяолі Лі та Мінша Чжаном.

За матеріалами neurosciencenews.com
Фото: neurosciencenews.com