Введение

Нейронное связывание — это нейробиологический аспект того, что обычно называют проблемой связывания: междисциплинарная трудность создания всеобъемлющей и верифицируемой модели единства сознания. «Связывание» относится к интеграции крайне разнообразной нейронной информации при формировании единого, целостного опыта. Гипотеза нейронного связывания утверждает, что нейронные сигналы объединяются посредством синхронизированных колебаний нейронной активности, которые комбинируются и рекомбинируются, обеспечивая широкий спектр реакций на стимулы, зависящие от контекста. Считается, что эти динамические нейронные сети объясняют гибкость и нюансированность реакции мозга на различные ситуации. Связь между этими сетями носит временный характер, порядка миллисекунд, и обеспечивает быструю активность. Жизнеспособный механизм этого явления должен учитывать (1) трудности согласования глобального характера участвующих (экзогенных) сигналов и их релевантных (эндогенных) ассоциаций, (2) интерфейс между процессами низкого уровня восприятия и процессами высокого уровня познания, (3) идентификацию сигналов (иногда называемых «маркировкой») по мере их обработки и маршрутизации по всему мозгу, и (4) возникновение единства сознания. Предлагаемые адаптивные функции нейронного связывания включают предотвращение галлюцинаторных явлений, генерируемых исключительно эндогенными паттернами, а также предотвращение поведения, обусловленного исключительно непроизвольными действиями. В этой модели существует несколько трудностей, которые необходимо решить. Во-первых, она должна предоставить механизм для интеграции сигналов в различных областях мозга (как корковых, так и подкорковых). Она также должна быть способна объяснить одновременную обработку несвязанных сигналов, которые остаются раздельными друг от друга, и интегрированных сигналов, которые необходимо рассматривать как единое целое. Однако, когда лучи света были направлены в одном направлении, корреляционная связь усилилась. В статье, посвященной этой идее, говорится: «Таким образом, коррелирующая активность наблюдалась только тогда, когда клетки реагировали на различные аспекты одного и того же «гештальта». Другие исследования с использованием ЭЭГ, снятых с кожи головы человека, также изучали активность гамма-волн, показывая, как стимулы, казалось, соответствовали преаттентивной связке. В отличие от этого, другая группа ученых (Трайсман и Геладе) полагала, что эти механизмы не работают на преаттентивном уровне. Они предположили, что для установления правильных связей необходимо внимание. Следовательно, они назвали свою теорию «внимательной связкой». Идея внимательной связки заключается в том, что, когда человек направляет свое внимание на объект с множеством признаков, со временем у него развивается согласованное представление об этом объекте и его характеристиках. Эти характеристики, после обработки посредством внимания, могут быть сохранены в кратковременной памяти или в виде эпизодических воспоминаний. Десять лет спустя Фрэнсис Крик и Кристоф Кох развили эту модель, объяснив синхронизацию отдаленных нейронов посредством преходящих гамма-волновых колебаний, направляемых вниманием. К 1995 году Франсиско Варела установил важность роли осцилляторной фазы в объединении нейронных ансамблей. Гипотеза временного связывания была впервые предложена как способ решения комбинаторной проблемы нейронного связывания, которая подчеркивает невероятно большое количество связей, которые должны быть установлены между нейронами с перекрывающимися функциями и ассоциациями для достижения наблюдаемого уровня сложности в нейронном связывании. Современные модели, которые в настоящее время разрабатываются, часто сохраняют структуру временной синхронизации благодаря этому значительному преимуществу, а также сильной экспериментальной поддержке существования глобальных колебаний мозга.

Активность гамма-диапазона

Было широко замечено, что распределенные группы нейронов колеблются в гамма-диапазоне частот (обычно от 30 до 80 Гц).

Механизмы фазового сопряжения

Модель Варелы описывает формирование клеточных ансамблей, иногда называемых резонансными или реверберационными (Лоренте де Но) цепями, посредством временной синхронизации фаз спайков, что позволяет им интегрироваться в более крупный ансамбль. Это решает проблему объяснения одновременности связывания, поскольку позволяет множеству сигналов находиться в процессе передачи параллельно в перекрывающемся диапазоне частот без взаимных помех.

Критика

Некоторые критикуют модели временного связывания за излишнюю спекулятивность и необоснованность далеко идущих предположений. Обычно это делается в поддержку более классической модели работы нервной системы.

Квантовые модели

Некоторые более поздние модели включили квантовую теорию в качестве компонента лежащей в основе нейронной динамики, ответственной за связывание, благодаря высокой объяснительной силе квантовой механики и утверждению о недостаточности существующих моделей для объяснения сложности механизма связывания. В 2001 году да Роша разработал модель, использующую базовую структуру гипотезы временного связывания, где глобальная синхронизация фаз является основным механизмом распространения информации, но при этом подчеркивается важность квантовых вычислений, выполняемых на локальном уровне. Гипотеза частично основана на наблюдениях, сделанных многими независимыми исследователями, о том, что туннелирование электронов происходит в ферритине (белке, запасающем железо, который широко распространен в этих нейронах) при комнатной температуре и в обычных условиях. Функция этого механизма заключается в содействии выбору действия, однако сам механизм способен интегрировать миллионы когнитивных и сенсорных нейронных сигналов, используя физический механизм, связанный с сильными электрон-электронными взаимодействиями. Гипотеза предсказала ряд физических свойств этих нейронов, которые впоследствии были экспериментально подтверждены, таких как туннелирование электронов в ткани substantia nigra pars compacta (SNc) и наличие неупорядоченных массивов ферритина в ткани SNc. Также было предсказано, что неупорядоченные массивы ферритина, подобные тем, что обнаружены в ткани SNc, должны быть способны поддерживать перенос электронов на большие расстояния и обеспечивать функцию переключения или маршрутизации, что впоследствии было подтверждено наблюдениями. CNET также предсказал, что самые крупные нейроны SNc должны опосредовать выбор действия. Это предсказание противоречило более ранним предположениям о функции этих нейронов, основанным на предсказуемой дофаминовой сигнализации вознаграждения. Однако группа исследователей под руководством доктора Паскаля Кайзера из Гарвардской медицинской школы впоследствии продемонстрировала, что эти нейроны кодируют движение, что согласуется с более ранними прогнозами CNET. Хотя механизм CNET еще не был непосредственно наблюдаем, его возможно наблюдение с использованием квантовых точечных флюорофоров, меченных ферритином, или других аналитических методов для обнаружения туннелирования электронов.

Несинхронные модели

Многие невременные теории стремятся сохранить более классическое представление о передаче сигналов нейронами, основанное на иерархических структурах. Это опирается на схождение сигналов к конкретным нейронным цепям, а также на динамическую маршрутизацию сигнальных путей через специализированные вычислительные подсистемы. Эти модели могут быть уязвимы к комбинаторным и проблемам связности, которые являются естественным следствием полагания исключительно на однозначную передачу информации посредством кодирования частотой спайков. Эти модели также требуют безупречной направляющей и объединяющей функции сигналов, что либо предполагает наличие контроллера (предлагаются ядра пульвинара), либо механизм спонтанной самоорганизации нейронных ансамблей.

Сенсорные

Большая часть экспериментальных доказательств нейронной связки традиционно вращалась вокруг сенсорного осознания. Сенсорное осознание достигается путем объединения вещей, когнитивного восприятия их и последующей сегментации, в результате чего формируется целостный образ. Поскольку в восприятии объекта существует бесконечное количество возможностей, эта область представляет собой уникальный предмет изучения. Важен не только глобальный способ восприятия, но и сегментация, то есть то, как мозг коллективно собирает определенные элементы посредством нейронных сетей. Значительная часть сенсорного осознания связана с выделением отдельной части структуры объекта и последующим объединением его общих характеристик, чтобы мозг воспринимал объект в его окончательной форме. Большая часть исследований, направленных на понимание сегментации и того, как мозг воспринимает объект, проводилась на кошках. Ключевым результатом этих исследований стало понимание гамма-волн, колеблющихся на частоте 40 Гц. Информация была получена из исследования, в котором использовалась зрительная кора кошек. Было показано, что кортикальные нейроны по-разному реагируют на пространственно различные объекты. Эти импульсы нейронов колебались в диапазоне 40–60 Гц, и при наблюдении было обнаружено, что они синхронно активируются при восприятии различных частей объекта. Такие согласованные реакции указывают на то, что мозг осуществляет своего рода кодирование, собирая определенные нейроны вместе для формирования образа объекта. Поскольку мозг собирает эти сегментированные части без внешнего контроля, наблюдается значительное совпадение с точкой зрения многих философов (таких как Зигмунд Фрейд), которые предполагают наличие подсознания, помогающего формировать каждый аспект наших сознательных мыслительных процессов. Для того чтобы множественные импульсы из разных областей мозга объединились в конкретное внешнее событие, необходима помощь спинного таламуса. Не доказано, является ли спинной таламус основным организатором, но он соответствует профилю, необходимому для сбора нейронной активности и быстрой координации между процессами, происходящими в мозге и во внешней среде. Пространство в спинном таламусе и вокруг него, таломокортикальная область, способна генерировать быстрые колебания мембранного потенциала, зависящие от напряжения, что позволяет ему быстро реагировать на поступающие сигналы. Предполагается, что типы каналов, присутствующие в этой области, являются GABAergic. Поскольку сенсорное осознание должно быть быстрым, порог для натрия и калия в этой области относительно низок. Таламус и кора являются важными анатомическими структурами, участвующими в когнитивном и сенсорном осознании. Понимание того, как эти нейроны активируются и взаимодействуют друг с другом в каждом из этих состояний (REM и бодрствование), имеет первостепенное значение для понимания осознанности и ее связи с нейронной связкой. В состоянии бодрствования нейронная активность у животных подвержена изменениям в зависимости от текущей среды. Изменения в окружающей среде оказывают стрессовое воздействие на мозг, поэтому, когда сенсорные нейроны активируются синхронно, они адаптируются к новому состоянию. Это новое состояние затем может быть передано в гиппокамп, где оно может быть сохранено для последующего использования. Как выразили Джеймс Ньюман и Энтони А. Грейс в своей статье "Связывание во времени", гиппокамп является основным получателем сигналов из инферотемпоральной коры и известен как субстрат для консолидации кратковременной памяти в долгосрочную, эпизодическую память. Запись "эпизодов" затем используется для "потока", который может опосредовать селективную блокировку определенной информации при ее повторном поступлении в сенсорное осознание. Поток и формирование эпизодических воспоминаний были бы невозможны без бессознательного соединения двух синхронных колебаний посредством нейронной связки. Сочетание этих колебаний может помочь в обработке правильного сенсорного материала. Если эти парные колебания новы, то когнитивно эти импульсы будут легко интерпретированы. Если импульсы новые, мозгу придется адаптироваться к новому пониманию. В частности, гиппокамп был вовлечен в связывание, связанное с эпизодической памятью, кратковременной памятью и усвоением языка. По словам Опица, это возможно, поскольку гиппокамп соответствует всем критериям, необходимым для регуляции реляционного связывания, и, основываясь на паттернах его активности, вероятно, что он в этом участвует.

Аутизм

Несколько исследователей предположили клиническую связь между трудностями нейронной интеграции и расстройствами аутистического спектра. Предполагается, что в мозге людей с аутизмом наблюдается недостаточная связанность между определенными областями, особенно теми, которые отвечают за социальное познание. Также выдвигается гипотеза о возможной повышенной связанности внутри определенных нейронных ансамблей. Исследователи считают, что эти нарушения когерентности нейронных сетей приводят к основным симптомам аутизма, а именно к нарушениям социального познания/взаимодействия и повторяющемуся поведению. Существует одно существенное доказательство, указывающее на аномальную связанность при аутизме. Мозг людей с аутизмом развивается очень быстро в раннем возрасте, что может приводить к проблемам в формировании корковых связей. Предполагается, что это раннее ускоренное развитие может быть причиной нарушенной связанности при аутизме. Исследования с использованием диффузионно-тензорной визуализации мозга людей с аутизмом подтверждают эту идею, показывая снижение миелинизации (см.: Миелин) в областях мозга, отвечающих за социальное познание и теорию разума, то есть за способность понимать мысли другого человека. Это предоставляет дополнительные доказательства недостаточной связанности мозга при аутизме.

Шизофрения

Также возможно, что проблемы со связыванием приводят к развитию раздробленного психического состояния, характерного для шизофрении. У пациентов с шизофренией наблюдается "распад сознания", проявляющийся галлюцинациями, бредом и в целом дезорганизованным мышлением. Предполагается, что эта психическая дезорганизация обусловлена лежащей в основе нейронной дезорганизацией, вызванной нарушением связывания, что усугубляется возникновением сложных психических процессов в этом дезорганизованном состоянии. По сути, это можно рассматривать как патологическое повышение нейронной сложности мозга. Диссоциативные симптомы и дезорганизованная речь, связанные с шизофренией, соответствуют этой концепции. Также возможно, что нарушение связывания между регуляторными механизмами мозга приводит к отсутствию синхронизированной активации его нейронных сетей.

Анестезия

Более глубокое понимание механизмов, лежащих в основе сознания на биохимическом уровне, имеет практическое значение, простирающееся на разработку более эффективных и надежных анестетиков. Этот метод особенно полезен для изучения сознания благодаря общеизвестной способности анестетиков вызывать потерю сознания. Это часто происходит мгновенно, создавая впечатление о внезапной утрате целостности сознания. Стюарт Хамерофф – известный анестезиолог, который поддерживает использование этого метода в развитии науки о сознании.