Кіріспе

Нейробайланыс – бұл жалпыға белгілі байланыс проблемасының нейроғылымилық аспектісі: сананың біртүтастығы үшін толыққанды және тексерілетін модель құрудағы пәраралық қиындық. «Байланыс» термині адамның тұжырымдалған тәжірибесін қалыптастыру кезінде өте алуан түрлі нейрондық ақпараттың интеграциялануын білдіреді. Нейрондық байланыс гипотезасы бойынша, нейрондық сигналдар нейрондық белсенділіктің синхронды тербелістері арқылы жұптасады, бұл контекстке байланысты стимулдарға кең ауқымды жауаптар беруге мүмкіндік береді. Бұл динамикалық нейрондық желілер мидың түрлі жағдайларға бейімделуі мен нюансты жауап беруін қамтамасыз етеді деп саналады. Бұл желілердің байланысы мильсекундтар шамасында өте жылдам және уақытша болып табылады. Бұл құбылыстың тиімді механизмі (1) қатысушы (экзогендік) сигналдардың жаһандық сипаты мен олардың маңызды (эндогендік) қауымдастықтарын келістірудегі қиындықтарды, (2) төменгі деңгейдегі қабылдау процестері мен жоғары деңгейдегі танымдық процестер арасындағы интерфейсті, (3) сигналдарды анықтауды (кейде «маркировкалау» деп аталады) олар өңделгенде және ми бойынша бағытталғанда, және (4) сананың біртүтастығының пайда болуын қарастыруы керек. Нейрондық байланыстың ұсынылған адаптивтік функцияларына эндогендік үлгілермен туындаған галлюцинаторлық құбылыстардың алдын алу, сондай-ақ тек рефлекстік әрекеттермен басқарылатын мінез-құлқының алдын алу кіреді. Бұл модельде шешілуі керек бірнеше қиындық бар. Біріншіден, ол мидың әртүрлі аймақтарындағы (кортикальды және субкортикальды) сигналдарды интеграциялау механизмін қамтамасыз етуі керек. Сонымен қатар, ол бір-бірімен байланысты емес, бірінен-бірі бөлек сақталатын және біртұтас қарастырылуы тиіс сигналдардың бір мезгілде өңделуін түсіндіре білуі керек. Алайда, жарық сәулелері бір бағытта бағытталғанда, корреляциялық қатынас күшейді. Бұл идеяны қарастыратын мақалада: «Осылайша, корреляциялық белсенділік тек жасушалар бір «гештальттың» әртүрлі аспектілеріне жауап берген кезде ғана алынды». Адам бас терісінен алынған ЭЭГ-ні пайдаланған басқа зерттеулер гамма толқынының белсенділігін де зерттеді, бұл стимулдардың зейін алдындағы байланысына сәйкес келетінін көрсетті. Бұл тұжырымға қарсы, ғалымдардың басқа тобы (Трайсман және Геладе) механизмдер зейін алдында жұмыс істемейді деп сенді. Олар дұрыс байланыс жасау үшін назар қажет деп болжады. Сондықтан олар өз теориясын «зейінге негізделген байланыс» деп атады. Зейінге негізделген байланыс идеясы, егер адам көптеген ерекшеліктері бар объектіге назар аударса, ол уақыт өте келе сол объектінің және оның сипаттамаларының тұжырымдалған бейнесін қалыптастырады. Бұл сипаттамалар, назар арқылы өңделгеннен кейін, қысқа мерзімді естелік ретінде немесе эпизодтық естеліктер ретінде сақталуы мүмкін. Он жылдан кейін Фрэнсис Крик пен Кристоф Кох бұл модельді одан әрі дамытып, алыстағы нейрондардың синхрондалуын уақытша гамма толқынының тербелісі арқылы, оған назар аудару арқылы түсіндірді. 1995 жылы Франсиско Варела нейрондық жиынтықтардың жұптасуындағы тербелістік фазаның маңызды рөлін анықтады. Уақытша байланыс гипотезасы алғаш рет нейрондық байланыстың комбинаторлық проблемасын шешудің жолы ретінде ұсынылды, ол нейрондық байланыста байқалатын күрделілік деңгейіне жету үшін, функциясы мен қауымдастығы бір-біріне сәйкес келетін нейрондар арасында жасалуы керек болатын байланыстардың өте көп санын атап көрсетеді. Қазіргі уақытта әзірленіп жатқан заманауи модельдер осы маңызды артықшылығына байланысты және жаһандық ми тербелістерінің болуын тәжірибелік түрде дәлелдеуге байланысты уақытша синхрондылық құрылымын сақтайды.

Гамма жолағының белсенділігі

Нейрондардың таралған топтары гамма жиіліктерінде (әдетте 30–80 Гц) тербеліп тұратыны көптен бері байқалып келеді.

Фазалық жұптастыру механизмдері

Вареланың моделі жасушалық жинақтардың таңдалуын сипаттайды, кейде резонанстық немесе қайталамалы (Лоренте де Но) тізбектер деп аталатын олар, уақытша импульстік фазалық синхронизация арқылы үлкен ансамбльге біріктіріледі. Бұл байланыстың бір уақытта болуының түсіндірудегі қиындыққа жауап береді, өйткені ол көптеген сигналдардың бір-біріне кедергісіз, үндесетін жиілік диапазонында параллель түрде таралуына мүмкіндік береді.

Сын

Уақытша байланысты модельдер кейбір мамандар тарапынан тым кең ауқымды және негізсіз болжамдарға толы деген сындарға ұшырады. Бұл пікір көбінесе жүйке функциясының дәстүрлі моделін қолдау үшін айтылады.

Кванттық модельдер

Кейбір жақындағы модельдер кванттық теорияны байланыстырудың негізгі нейрондық динамикасының құрамдас бөлігі ретінде енгізді, себебі кванттық механиканың жоғары түсіндіру күші бар және қазіргі модельдердің байланыстыру механизмінің күрделігін түсіндіруге жеткіліксіздігі туралы талаптар бар. 2001 жылы да Роша уақытша байланыс гипотезасының негізгі құрылымын пайдаланған модельді жасады, онда жаһандық фазалық синхронизация ақпаратты таратудың басты механизмі болды, бірақ жергілікті деңгейде жүзеге асырылатын кванттық есептеудің маңыздылығын атап өтті. Гипотеза көптеген тәуелсіз зерттеушілердің ферритинде (осы нейрондарда кең таралған темір сақтау ақуызы) бөлме температурасында және қалыпты жағдайларда электрондық туннельдеуді байқауына негізделген. Бұл механизмнің функциясы – әрекетті таңдауға көмектесу, бірақ өзінің ішкі механизмі күшті электрон-электрондық өзара әрекеттесулерге байланысты физикалық механизм арқылы миллиондаған когнитивтік және сенсорлық нейрондық сигналдарды интеграциялай алады. Гипотеза осы нейрондардың кейіннен тәжірибе жүзінде расталған бірқатар физикалық қасиеттерін болжады, мысалы, субстанция нигра парс компакта (SNc) тініндегі электрондық туннельдеу және SNc тініндегі ферритиннің ретсіз массивтерінің болуы. Гипотеза сондай-ақ SNc тініндегідей ретсіз ферритин массивтерінің ұзақ қашықтықтағы электрондық тасымалды қолдауға және коммутациялық немесе маршрутизациялық функцияны қамтамасыз етуге қабілетті болуы керек деп болжады, және бұл екеуі де кейіннен расталды. CNET сонымен қатар ең үлкен SNc нейрондарының әрекетті таңдауға қатысатынын болжады. Бұл болжау бұрынғы ұсыныстарға қайшы келді, онда бұл нейрондардың функциясы дофамин арқылы күтілетін сыйақы сигналдарына негізделген. Алайда, Гарвард медицина мектебінің докторы Паскаль Кайзер басқаратын команда бұл нейрондардың CNET-тің бұрынғы болжамдарымен сәйкес қозғалысты кодтайтынын көрсетті. CNET механизмі әлі тікелей байқалмаған, бірақ ферритинге бекітілген кванттық нүктелі флюорофорларды немесе электрондық туннельдеуді анықтауға арналған басқа талдау әдістерін қолдану арқылы оны байқау мүмкін.

Синхронды емес модельдер

Көптеген уақытқа қатысты емес теориялар иерархиялық құрылымдарға негізделген нейрондық сигналды классикалық түсінік бойынша сақтап қалуға тырысады. Бұл белгілі бір нейрондық тізбектерге сигналдардың жиналуына, сондай-ақ арнайы есептеулік бөлімшелер арқылы сигнал беру жолдарының динамикалық бағытталуына сүйенеді. Бұл модельдер комбинаторлық және байланыс мәселелеріне ұшырауы мүмкін, бұл тек қана импульс жиілігі кодтау арқылы дәстүрлі ақпараттың бір-бірге сәйкес берілуіне байланысты туындайтын табиғи салдар болып табылады. Бұл модельдер сонымен қатар сигналдарды үздіксіз бағыттауды және біріктіруді талап етеді, бұл бақылаушыны (пульвинарлық ядролар деп ұсынылады) немесе нейрондық жиынтықтардың спонтанды түрде өзін-өзі құрастыру механизмін болжайды.

Сезімталдық

Нейрондық байланысқа қатысты тәжірибелік дәлелдердің көп бөлігі дәстүрлі түрде сезімдік санамен байланысты болды. Сезімдік сананы іске асыру үшін нәрселерді біріктіру, оларды танымдық тұрғыдан қабылдау және содан кейін бөліп, жалпы алғанда, бейне жасау қажет. Бір нысанды қабылдаудың мүмкіндіктері шексіз болғандықтан, бұл зерттеудің ерекше саласы болып табылады. Мидің белгілі бір нәрселерді желі арқылы біріктіру әдісі, жалпы қабылдау үшін ғана емес, сонымен қатар сегментация үшін де маңызды. Сезімдік сананың көп бөлігі нысанның бір бөлігін алып, оның барлық сипаттамаларын біріктіруден тұрады, нәтижесінде ми нысанды соңғы түрінде қабылдайды. Сегментацияны түсіну және мидің нысанды қалай қабылдауын зерттеудің көп бөлігі мысықтарды зерттеу арқылы жүргізілді. Осы зерттеудің маңызды табысы – 40 Гц жиілігінде тербелетін гамма толқындарын түсінумен байланысты. Ақпарат мысықтың көру қабығын пайдалана отырып жүргізілген зерттеуден алынған. Зерттеу көрсеткендей, қабықша нейрондары әртүрлі кеңістіктегі нысандарға әртүрлі жауап береді. Бұл нейрондардың атылу жиілігі 40–60 Гц аралығында болды және бақылау кезінде нысанның әртүрлі бөліктерін қарағанда синхронды түрде атылғаны байқалды. Мұндай үйлесімді жауаптар мидің нысанның пішінін жасау үшін белгілі бір нейрондарды біріктіретін кодтау түрін қолданатынын көрсетеді. Ми осы сегменттелген бөліктерді қадағалаусыз біріктіретіндіктен, бұл көптеген философтармен (мысалы, Зигмунд Фрейд) үндес келеді, олар саналы ойлау процестерінің барлық аспектілерін қалыптастыруға көмектесетін жасырын сананың бар екенін теориялайды. Осы әртүрлі аймақтардан келетін көптеген атулардың белгілі бір сыртқы оқиғаға бірігуі үшін арқалық таламустың көмегі қажет. Арқалық таламустың негізгі ұйымдастырушы екені дәлелденбеген, бірақ ол нейрондық белсенділікті жинау және миде және оның сыртында болып жатқан оқиғаларды тез үйлестіру үшін қажетті профильге ие. Арқалық таламустың өзі және оның айналасындағы таломокортикальды аймақ алынған хабарламаларға жылдам жауап беруге мүмкіндік беретін жылдам кернеуге тәуелді мембраналық потенциалдық тербелістерді тудыра алады. Бұл аймақты қамтитын каналдардың түрлері GABAергиялық деп есептеледі. Сезімдік сана жылдам болуы керек болғандықтан, бұл аймақта натрий мен калийдің шегі өте төмен. Таламус және қабық – танымдық және сезімдік сананың маңызды анатомиялық құрылымдары. Бұл нейрондардың қалай атылатынын және осы күйлердің әрқайсысында (REM және Ояну) бір-бірімен қалай байланысатынын түсіну сананы және оның нейрондық байланысқа қатынасын түсіну үшін маңызды. Ояу күйде жануарлардың нейрондық белсенділігі ағымдағы ортаға байланысты өзгереді. Ортаның өзгеруі миға стресс түсіреді, сондықтан сезімдік нейрондар синхронды түрде атылғанда, олар жаңа жағдайға бейімделеді. Бұл жаңа жағдай гиппокампқа көшіріліп, кейін пайдалану үшін сақталуы мүмкін. Джеймс Ньюман мен Энтони А. Грейс өздерінің «Уақыт арқылы байланыстыру» мақаласында былай деді: «Гиппокамп – инферотемпоральді шығыстарды негізгі қабылдаушы және жұмыс есін ұзақ мерзімді, эпизодтық естеліктерге бекітуге жататын субстрат ретінде белгілі». «Эпизодтарды» тіркеу «ағылу» үшін қолданылады, ол сезімдік санаға қайта кіретін белгілі бір ақпаратты таңдау арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Эпизодтық естеліктердің ағыны мен құрылуы егер нейрондық байланыс екі синхронды тербелісті беймәлім түрде байланыстырмаса мүмкін емес. Осы тербелістердің жұптасуы дұрыс сезімдік материалды енгізуге көмектеседі. Егер бұл жұптық тербелістер жаңа болмаса, онда когнитивті тұрғыдан бұл атулар оңай түсініледі. Егер жаңа атулар болса, ми жаңа түсінікке бейімделуі керек. Әсіресе, гиппокамп эпизодтық жад, жұмыс жады және тілді игеруге қатысты байланысқа қатысады. Опицтің айтуынша, бұл мүмкін, өйткені гиппокамп қатынастық байланысты реттеуге жарамды барлық критерийлерге сәйкес келеді және оның белсенділік үлгілеріне сүйене отырып, ол қатысы бар болуы мүмкін.

Аутизм

Бірнеше зерттеушілер нейрондық байланыстағы қиындықтар мен аутизм спектрінің бұзылулары арасындағы клиникалық байланыс бар екенін ұсынды. Аутистік мидың белгілі бір аймақтары, әсіресе әлеуметтік танымға қатысты аймақтар арасында байланыс жеткіліксіздігі бар деген болжам бар. Сонымен қатар, нейрондық жасушалардың кейбір жиынтықтарында шамадан тыс байланыс болуы мүмкін деп санайды. Зерттеушілердің пікірінше, осы нейрондық желілердің үйлесімсіздігі аутизмнің ерекше белгілеріне – әлеуметтік танымның/өзара әрекеттесудің бұзылуына және қайталанатын мінез-құлықтарға алып келеді. Аутизмде аномальды байланыс пайда болатынын көрсететін маңызды дәлел бар. Аутистік ми өмірдің алғашқы кезеңдерінде өте жылдам дамиды, бұл қабықша байланыстарының қалыптасуында проблемалар тудыруы мүмкін. Осы ерте дамудың шамадан тыс болуы аутизмдегі байланыс бұзылуына себеп болуы мүмкін деген гипотеза бар. Аутистік мидың диффузиялық тензорлық бейнелеу арқылы жүргізілген зерттеулері осы оймен сәйкес келеді, себебі олар әлеуметтік таным және басқа адамның ойын түсіну қабілетімен байланысты ми аймақтарында миелиннің азаюын көрсетеді (қ. Миелин). Бұл аутистік мидың байланысының нашар екенін растайтын қосымша дәлел болып табылады.

Шизофрения

Сонымен қатар, байланыстағы мәселелер шизофренияға тән бұзылған психикалық жағдайға әкелуі мүмкін. Шизофрениямен ауыратын науқастар "сананың ыдырауы" сезінеді, ол галлюцинациялар, қате пікірлер және жалпы ретсіз ойлауды қамтиды. Бұл психикалық дезорганизацияның бұзылған байланыс салдарынан туындаған жүйке жүйесінің дезорганизациясынан пайда болатыны болжанады, және бұл бұзылған жағдайдағы күрделі психикалық процестердің пайда болуымен одан әрі усложняшается. Бұл, по сути, мидың нейрондық күрделілігінің патологиялық артуы ретінде қарастырылуы мүмкін. Шизофрениямен байланысты диссоциативтік симптомдар мен дезорганизацияланған сөйлеу осы идеямен сәйкес келеді. Сонымен қатар, мидың реттеуші механизмдері арасындағы бұзылған байланыс оның нейрондық желілерінің синхронды белсенділігінің жетіспеуіне әкелуі мүмкін.

Анестезия

Биохимиялық деңгейде сананың негізгі механизмдерін тереңірек түсінудің практикалық маңызы бар, ол тиімдірек және сенімдірек анестетиктерді жасауға көмектеседі. Анестезияның ессіздік тудыру қабілеті жақсы белгілі болғандықтан, бұл әдіс сананы зерттеу үшін ерекше пайдалы. Бұл көбінесе бір сәтте орын алып, сананың тұтастығының күйреуі сезімін береді. Стюарт Хамерофф – сана ғылымын дамытуға осы әдісті қолдаушы белгілі анестезиолог.