Сон и нейрофизиологические корреляты активации сознания при пробуждении

Изучение сознания является важнейшей и наиболее сложной проблемой современной науки, которая находится на стыке ряда дисциплин, таких как медицина, нейробиология, психология и др. В недавних отечественных работах был составлен перечень терминов для описания хронических нарушений сознания (ХНС) и определены соответствующие им диагностические критерии [1, 2]. Тем самым были заложены фундаментальные основы для медико-биологических исследований сознания, систематизации методов диагностики его нарушений и поисков эффективных методов его восстановления.

Одним из направлений в современной медицине является разработка методик, необходимых для обнаружения признаков осознанной деятельности пациентов и оценки сохранности когнитивных функций при ХНС разной степени тяжести и генеза [3—7]. Ряд авторов соотносят нарушения, диагностируемые при ХНС, со сходными изменениями мозговой активности, которые наблюдаются во время сна у здоровых обследуемых [8—10]. Сохранность цикла сон—бодрствование зависит от тяжести ХНС [11—13], что позволяет использовать его как естественную модель для медико-клинических исследований сознания [14].

В основе современного подхода к анализу сознания лежит представление о том, что для каждого эпизода сознания есть соответствующее событие в головном мозге, его нейрональный коррелят [15, 16]. В рамках этой концепции ставится задача: выяснить, какие нейрофизиологические показатели коррелируют с теми или иными состояниями мозга и содержанием сознания. Понятие «нейрональные корреляты» определяется F. Crick и C. Koch [15] как «минимальный набор нейрональных событий, который порождает определенный аспект сознательного восприятия». Следует отметить, что этот «минимальный набор» не включает в себя все условия, необходимые для бодрствования или сознательного опыта человека.

Большинство исследователей придерживаются точки зрения, что сознание не представляет собой единое целое, и рассматривают несколько его аспектов. Как правило, разделяют уровень и содержание сознания [17]. При этом уровень сознания иногда используется как синоним степени бодрствования или возбуждения, а содержание отождествляется с осознанием или субъективным опытом [17]. Существует несколько направлений при изучении уровней сознания: при обследовании пациентов с ХНС [18—20], во время наркоза разной глубины [21, 22] и в цикле сон—бодрствование [23—26].

В их основе лежит представление о континууме уровней сознания, на одном из полюсов которого оно, по-видимому, отсутствует (кома, глубокий наркоз, III стадия сна), а на другом — наблюдается у здорового субъекта в состоянии активного бодрствования. Равным образом мы в своей исследовательской стратегии рассматриваем весь цикл сон— бодрствование с точки зрения непрерывного изменения уровня сознания. В современных работах обсуждается наличие его признаков как на стадии REM-сна [27, 28], так и на второй стадии медленного сна [24, 29—30]. Поставлен вопрос о создании теории, в которой разнообразие сознательного опыта распространялось бы на возможно большее количество состояний мозга при засыпании, пробуждении и собственно во сне [31].

Предметом наших исследований является процесс пробуждения и связанная с ним активация сознания [32]. Нейрофизиологические исследования пробуждений начались в 70-х годах XX века, когда были описаны в качестве кратковременных явлений, нарушающих непрерывность сна [33, 34]. Согласно критериям Американской ассоциации по нарушениям сна (ASDA), они определяются как резкие сдвиги частоты электроэнцефалограммы (ЭЭГ), обычно в сторону увеличения, которые возникают после сна длительностью не менее 10 с и продолжаются 3—15 с [35]. Существует мнение, что этот феномен не представляет собой паталогический процесс, а является нормальной составной частью самой структуры сна [36, 37].

Изучение ЭЭГ при двух типах пробуждения, самопроизвольном и вызванном внешней стимуляцией, показало, что ее мощностные характеристики отличаются от состояния как бодрствования, так и сна [38]. Независимо от типа биоэлектрическая активность таламуса носит одинаковый характер, а ее спектральный состав соответствует промежуточному состоянию между бодрствованием и сном. При этом изменения на ЭЭГ зависят от стадии сна, области отведения и типа пробуждения [38]. В работе J. Schwabedal и соавт. [39] показано, что у здоровых участников исследования эти кратковременные эпизоды активации, прерывающие ночной сон, так называемые wake after sleep onset periods (WASOs), сопровождаются снижением частотных характеристик альфа-ритма и зависят от длительности пробуждений. У больных с инсомнией подобного изменения его частоты не наблюдается.

При анализе функциональных связей нейронных сетей было обнаружено, что при пробуждении сети с режимом по умолчанию (the default-mode network) и сети гиппокампа (the hippocampal network) сохраняли одинаковый уровень связности и спектральную мощность по сравнению с бодрствованием перед сном. В сенсомоторной сети наблюдалось снижение связности, в то же время связь таламуса с неокортексом улучшилась, при этом в обоих случаях выявлено уменьшение спектральной мощности. Чем глубже был сон, тем больше эти изменения проявлялись при просыпании [40].

Пробуждение не является однородным процессом. По мнению U. Voss [41], существуют две стадии пробуждения: когнитивное и поведенческое. Сначала у человека появляется возможность реагирования на внешние раздражители, но без возможности сознательного поведенческого ответа, который появляется позже [41]. С другой точки зрения утверждается, что просыпание ведет к быстрому восстановлению сознания (consciousness) с последующим относительно медленным восстановлением бдительности (alertness) [42]. Возникновение сознания при пробуждении связывают с процессами гиперполяризации—деполяризации мембраны нейронов. Предполагается, что определенный уровень деполяризации нейронов коры является необходимой предпосылкой функционирования сознания при бодрствовании. При этом наблюдаемое на медленноволновой стадии сна чередование гиперполяризации и деполяризации (так называемое бистабильное состояние нейронов) может являться признаком его отсутствия [23, 25, 26]. Считается, что эта бистабильность нарушает синхронное взаимодействие корковых областей мозга, необходимое для функционирования сознания.

На основании качественного анализа ЭЭГ в исследованиях самопроизвольного пробуждения после дневного сна с последующим возобновлением выполнения непрерывно-дискретного психомоторного теста В.Б. Дорохов [43] выделил два типа фазических активационных ЭЭГ-паттернов, предшествующих пробуждению: альфа-веретена, сопровождаемые высокочастотными составляющими ЭЭГ, и К-комплексы. Тип паттерна зависел от стадии сна, из которой происходило пробуждение [43]. Последующие исследования на этой модели с использованием функциональной МРТ головного мозга показали, что в момент пробуждения происходит активация различных областей мозга: правого таламуса, левого клина, мозжечковых зон и стволовых структур мозга [32].

Исследование спектральных характеристик ЭЭГ перед пробуждением, которое определялось по восстановлению выполнения психомоторного теста после короткого эпизода сна («микросна»), показало рост мощностных спектральных характеристик в дельта- и альфа-диапазонах [44]. Этот результат мы связываем с предшествованием пробуждению К-комплексов разной степени выраженности, на которые накладываются низкочастотные альфа-колебания [44]. Этот ЭЭГ-паттерн (К-комплекс с последующей альфа активностью), может быть связан с действием универсального таламокортикального активирующего механизма, который можно считать нейрональным коррелятом активации последовательных уровней сознания, необходимых для выполнения психомоторного теста.

Упомянутый непрерывно-дискретный психомоторный тест [32, 43] мы рассматриваем как эффективную экспериментальную модель для исследований активации сознания при пробуждении. Процедура выполнения теста была следующая. В течение 1 ч испытуемые, лежа в кровати с закрытыми глазами, выполняли два последовательно чередующихся задания: первое задание — счет «про себя» от 1 до 10, сопровождаемый синхронными нажатиями правой рукой на кнопку («считай и нажимай»), и второе задание — только счет «про себя», без нажатий. Монотонный характер теста способствовал быстрому снижению уровня бодрствования с последующим чередованием эпизодов «микросна» и спонтанных пробуждений. Испытуемому давалась инструкция: при пробуждении возобновить выполнение теста, начиная с первого задания — нажатия на кнопку.

Можно предположить, что спонтанное восстановление нажатий на кнопку запускается мозговыми процессами, связанными с извлечением из памяти гипотетической инструкции «считай и нажимай на кнопку», что требует активации сознания для ее выполнения. Наличие во время одного эксперимента нескольких эпизодов «микросна» и пробуждения позволяет избежать влияния на получаемые результаты различий в мощности разных ритмов, а также исследовать эпизоды пробуждения с разной степенью восстановления психомоторной деятельности.

При анализе данных мы рассматривали полное и частичное восстановление выполнения психомоторного теста при самопроизвольном пробуждении из II стадии сна [45]. Полным считали такое восстановление, при котором испытуемый правильно выполнял первое задание, т.е. нажимал 10 раз на кнопку и после интервала времени, соизмеримого с длительностью второго задания (10 с счета без нажатий), нажимал на кнопку не менее 1 раза (повторение первого задания). Случаями частичного восстановления инструкции «считай и нажимай» (осуществленной не полностью или полностью) считали эпизоды, при которых ждать следующего нажатия приходилось >1 мин.

Ранее на основе визуальных наблюдений была показана необходимость возникновения альфа-ритма для возобновления деятельности при пробуждении [43]. Количественный анализ ЭЭГ-данных в последующих исследованиях подтвердил эти результаты [44—46]. Было показано наличие связи характеристик альфа-колебаний с эффективностью выполнения психомоторного теста во время спонтанных пробуждений. При его частичном восстановлении в ситуациях с малым (2—5) и относительно большим (6—10) количеством нажатий на кнопку спектральная мощность альфа-ритма была больше в ситуации с более длительными периодами наблюдаемой поведенческой активности. Окончание нажатий возвращало значения показателей альфа-активности к тем, которые наблюдались до пробуждения [46]. При полном восстановлении выполнения теста эта характеристика ЭЭГ была существенно больше, чем в случаях частичного восстановления [45].

Следует отметить, что на временном отрезке, предшествующем моменту восстановления психомоторной деятельности, спектральная мощность альфа-ритма была выше при большом количестве нажатий на кнопку. Это явление наблюдалось в передних областях мозга за 5—6 с до начала нажатий в низкочастотном альфа-диапазоне (8—10,5 Гц) и за 3—4 с — в высокочастотном (11—13,5 Гц). Активация альфа-ритма в передневисочной и вентролатеральной префронтальной коре при пробуждении, опережающая начало деятельности, может отражать процессы, связанные с извлечением инструкции из рабочей памяти, на основании которой планируются дальнейшие действия [44, 46].

Мы полагаем, что эффективность восстановления психомоторного теста после пробуждения определяется уровнем активации сознания, контролирующего функционирование когнитивных процессов, обеспечивающих устный счет и синхронную эффекторную деятельность нажатия на кнопку. Если исходить из этого представления, то рассмотренные выше ситуации с неполным и полным количеством нажатий связаны с разным уровнем активации сознания при переходе от сна к бодрствованию.

Таким образом, разные пространственно-временные, амплитудные и частотные характеристики альфа-ритма могут считаться нейрональными коррелятами активации последовательных уровней сознания при пробуждении от сна.

Интересно отметить, что бессознательное состояние с экспериментальной точки зрения часто определяется как потеря способности реагировать на внешние раздражители [47]. Авторы отмечают, что сознательный опыт до и после бессознательного состояния может быть радикально другим. Хотя человек может быть в состоянии нажать кнопку или сжать руку в ответ на команду как до, так и после периода общей анестезии, уровень и содержание сознания сразу после выхода из анестезии, вероятно, обеднены по сравнению с базовым предсознательным состоянием. В наших исследованиях с использованием психомоторного теста ряд испытуемых при самоотчете об эксперименте упоминали о пробуждениях, при которых они не могли нажимать на кнопку (неопубликованные данные).

Использование в медико-биологической практике переходных состояний цикла сон—бодрствование углубляет наши представления об изменениях функциональной активности коры больших полушарий и через исследования нейрофизиологических событий, которые коррелируют с возникновением и исчезновением сознания, приближают к пониманию его естественнонаучных основ, тем самым расширяя круг поисков эффективных методов реабилитации пациентов с хроническими нарушениями сознания.

Исследование выполнено из средств государственного бюджета и частично при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальный исследований (проект №20-013-00683а).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.