Что происходит с мозгом во время анестезии: одна из главных загадок нейронауки

В конце XVIII века хирургическая операция могла быть испытанием, которое современному человеку трудно даже представить.

---

В 1797 году британскому адмиралу Горацио Нельсону ампутировали правую руку после тяжелого ранения. Полноценной общей анестезии тогда еще не существовало. Согласно популярной исторической версии, одним из немногих способов хоть немного облегчить страдания пациента был алкоголь.

Операция спасла Нельсону жизнь, но саму процедуру он переживал практически в сознании. Сегодня подобная ситуация кажется почти невозможной. Перед сложной операцией пациенту вводят препараты, проходит несколько секунд — и окружающий мир буквально исчезает. Человек не чувствует боли, не реагирует на происходящее и обычно ничего не помнит после пробуждения.

Но здесь возникает удивительный вопрос: что именно происходит с сознанием в эти несколько секунд?

Мы умеем надежно выключать сознание уже более полутора веков, однако нейробиологи до сих пор не могут дать окончательного ответа на вопрос, каким образом анестезия превращает бодрствующий мозг в мозг, временно лишенный сознательного опыта. Именно поэтому анестезиология сегодня интересует не только врачей. Изучая действие анестетиков, ученые пытаются приблизиться к гораздо более сложной загадке — понять природу человеческого сознания.

Революция, изменившая хирургию

Одним из ключевых событий в истории медицины считается публичная демонстрация хирургической анестезии эфиром в 1846 году. До этого хирургия была ограничена не только возможностями врачей, но и способностью пациента выдержать боль.

Хирурги вынуждены были работать максимально быстро. Ампутации иногда старались выполнять буквально за минуты. Продолжительные и технически сложные вмешательства представляли огромную проблему.

Анестезия изменила медицину фундаментально. Теперь организм пациента можно было на некоторое время перевести в состояние, при котором он:

• не испытывает сознательного восприятия операции;
• не реагирует на хирургическую стимуляцию обычным образом;
• не формирует воспоминаний о происходящем;
• остается неподвижным, если применяются дополнительные препараты;
• после прекращения действия лекарств может снова вернуться к нормальному состоянию сознания.

Сегодня ежегодно во всем мире проводят сотни миллионов хирургических вмешательств с применением общей анестезии. При этом удивительно другое: врачи прекрасно умеют использовать анестетики практически, но фундаментальный механизм возникновения бессознательного состояния все еще изучается.

Анестезия — это не просто глубокий сон

В бытовой речи часто говорят: «пациента усыпили». Это удобное, но не совсем точное описание. Обычный сон и общая анестезия имеют некоторые сходства: в обоих состояниях человек перестает активно реагировать на окружающую среду, а работа больших нейронных сетей меняется.

Однако анестезия — не просто чрезвычайно глубокий сон. Во время естественного сна мозг регулярно проходит через несколько стадий. Его активность постоянно перестраивается, возникают быстрые движения глаз, меняется мышечный тонус, появляются сновидения. При общей анестезии структура активности мозга иная.

Кроме того, некоторые анестетики воздействуют на нервную систему через совершенно разные молекулярные механизмы. Пропофол, например, значительно усиливает действие тормозной системы мозга, связанной с рецепторами ГАМК. Кетамин действует прежде всего на NMDA-рецепторы и способен вызывать совершенно иной тип измененного сознания. Ингаляционные препараты также взаимодействуют сразу с несколькими молекулярными мишенями.

И тем не менее результат может быть похожим: человек перестает осознавать происходящее. Получается своеобразный парадокс: разные химические вещества воздействуют на мозг различными способами, но в конечном итоге приводят к исчезновению сознательного опыта.

Почему это происходит? Однозначного ответа пока нет.

Что анестетики делают с нейронами

Мозг состоит примерно из десятков миллиардов нервных клеток, которые постоянно обмениваются сигналами. Сознание, насколько позволяют судить современные исследования, вероятно, зависит не только от активности отдельных нейронов, но и от способности удаленных областей мозга координировать свою работу.

Представьте огромный город. Отдельные здания могут продолжать функционировать, но если отключить транспорт, интернет и телефонную связь, город перестанет работать как единая система. Нечто подобное может происходить под действием анестезии.

Отдельные участки мозга не обязательно полностью прекращают деятельность. Зрительная кора может сохранять определенную активность, слуховые сигналы могут частично обрабатываться, а некоторые нейронные сети продолжают функционировать. Но глобальная координация между ними нарушается.

Именно потеря такой связи сегодня считается одним из наиболее перспективных объяснений исчезновения сознания.

Мозг не обязательно «выключается» целиком

Представление о том, что общий наркоз просто отключает мозг, слишком упрощено. Современные методы нейровизуализации показывают более сложную картину. Активность некоторых систем действительно снижается, однако разные области мозга реагируют на анестетики неодинаково.

Одни сети становятся менее активными раньше других. Особое внимание ученых привлекает таламус.

Таламус — один из главных кандидатов на роль «переключателя»

Таламус расположен глубоко внутри мозга и представляет собой важнейший центр передачи информации. Через него проходят многочисленные сигналы, связывающие кору головного мозга с другими структурами.

Таламус участвует в:

• обработке сенсорной информации;
• поддержании бодрствования;
• регуляции внимания;
• циклах сна и пробуждения;
• координации активности различных областей коры.

Исследования показывают, что при введении некоторых анестетиков активность таламических сетей меняется очень быстро. Это породило гипотезу: возможно, анестезия частично использует те же механизмы, с помощью которых мозг регулирует естественный сон.

В экспериментах на животных стимуляция определенных участков таламуса иногда способна вернуть признаки бодрствования даже во время действия анестетиков. Похожие идеи исследуют и применительно к пациентам с тяжелыми нарушениями сознания.

Но считать таламус единственным «выключателем сознания» было бы преждевременно. Мозг слишком сложен для столь простой схемы.

А может быть, главное происходит в коре?

Другие исследователи обращают внимание прежде всего на кору головного мозга. Это внешний слой мозга, содержащий огромные сети нейронов и играющий ключевую роль в восприятии, мышлении, памяти и планировании.

Особенно интересны связи между лобными и теменными областями. Лобные доли участвуют в принятии решений, планировании поведения, контроле внимания и сложных когнитивных процессах. Теменные области интегрируют информацию о теле, пространстве и внешнем мире.

Во время потери сознания взаимодействие между этими регионами часто существенно меняется. Некоторые нейрофизиологи поэтому предполагают, что исчезновение сознания связано не с выключением конкретной структуры, а с распадом глобальной системы обмена информацией.

Сознание как сеть

Эта идея постепенно становится одной из центральных в нейронауке. Сознание может быть не «функцией одной точки». У мозга, вероятно, не существует небольшого участка, который можно было бы назвать единственным центром сознания.

Вместо этого сознательный опыт может возникать благодаря взаимодействию большого количества специализированных систем. Зрение обрабатывается одной группой областей, звуки — другой, память — третьей, информация о собственном теле — четвертой, а эмоции — еще несколькими системами.

Но чтобы возник единый субъективный опыт, эти данные должны каким-то образом объединяться. И здесь анестезия представляет для ученых уникальный эксперимент.

Человек лежит неподвижно, физиологические процессы контролируются, препарат можно вводить с очень точной дозировкой, а затем наблюдать, на каком этапе исчезает реакция и как меняются нейронные сети. После прекращения действия лекарства процесс происходит в обратном направлении — сознание возвращается.

Для исследователей это почти идеальная модель временного выключения и включения сознательного опыта.

У каждого мозга есть собственный «нейронный отпечаток»

Особенно любопытные результаты получили исследователи, изучавшие так называемую функциональную связность мозга. Этот термин описывает то, насколько синхронно работают разные участки нервной системы.

У бодрствующего человека картина взаимодействия мозга настолько индивидуальна, что ее иногда сравнивают с отпечатком пальца. Даже когда два человека выполняют одинаковую задачу, структура координации нейронных сетей немного различается.

Однако под анестезией эта индивидуальность начинает уменьшаться. Исследования с применением функциональной МРТ показывают, что модели взаимодействия разных областей мозга у разных людей становятся более похожими. Другими словами, мозг временно теряет часть своей уникальной динамики.

Это очень интересное наблюдение. Возможно, индивидуальность сознательного опыта связана не просто с тем, какие структуры есть в нашем мозге, а с тем, насколько свободно и разнообразно эти структуры способны взаимодействовать.

Мозг становится более «локальным»

В бодрствующем состоянии удаленные области мозга способны активно обмениваться информацией. Иногда коммуникация происходит между регионами, которые анатомически не имеют прямого соединения: сигнал передается через промежуточные узлы.

Во время анестезии подобные дальние взаимодействия становятся менее выраженными. Активность все больше ограничивается локальными сетями.

Можно представить железнодорожную систему страны. Пока работают магистральные линии, пассажиры могут перемещаться между удаленными городами. Если дальние маршруты остановить, внутри каждого города транспорт может продолжить работать, но единая национальная транспортная система фактически исчезнет.

Возможно, нечто подобное происходит и с сознанием. Нейроны продолжают работать, но мозг теряет способность объединять информацию в единый глобальный поток.

Что происходит за несколько секунд до потери сознания

Для человека момент введения анестезии часто выглядит почти мгновенным. Пациент слышит слова врача, иногда ощущает легкое головокружение, а затем возникает провал. Следующее субъективное событие — пробуждение после операции, хотя между двумя этими моментами может пройти несколько часов.

Для мозга же процесс гораздо сложнее. После введения препарата постепенно меняется электрическая активность нейронов. Перестраиваются ритмы мозга, ослабевают определенные виды связи между областями коры, меняется работа таламуса.

В какой-то момент система пересекает своеобразную границу, после которой мозг уже не способен поддерживать обычный сознательный опыт. Где именно расположена эта граница — один из самых интересных вопросов современной нейронауки.

«Третий уровень»: человек без сознания, который способен выполнять команды

Еще более загадочные результаты были получены в исследованиях пациентов непосредственно во время анестезии. В некоторых экспериментах использовали технику, известную как изолированное предплечье.

При операциях пациенту иногда вводят препараты, вызывающие временный паралич мышц. Это необходимо, чтобы человек не двигался во время хирургического вмешательства. Исследователи накладывали специальный жгут на руку до введения миорелаксанта, в результате чего мышцы этой руки сохраняли способность двигаться.

Затем пациенту давали простые команды — например, просили сжать пальцы. И часть пациентов выполняла команду. При этом внешне они находились под общей анестезией, не разговаривали, не двигались и впоследствии зачастую ничего не помнили.

Подобные наблюдения заставили ученых задуматься о существовании промежуточного состояния между привычным сознанием и полной бессознательностью. Иногда его называют «третьим состоянием», однако термин остается дискуссионным.

Вполне возможно, что сознание не работает по принципу простого переключателя «включено — выключено». Между двумя состояниями может существовать целый спектр промежуточных режимов.

Почему человек может реагировать, но ничего не помнить

Здесь важно разделить несколько разных функций мозга: способность услышать команду, понять ее, выполнить движение и сформировать долговременное воспоминание. Это не одно и то же.

Анестетик может нарушить формирование памяти раньше или сильнее, чем полностью блокировать обработку внешних сигналов. Поэтому теоретически возможно, что мозг способен на короткое время обработать информацию, но после пробуждения человек ничего об этом не помнит.

Подобные наблюдения существенно усложняют философский вопрос: если мозг реагировал, но воспоминаний не осталось, был ли человек в этот момент сознателен? У науки пока нет универсального ответа.

Случайное пробуждение во время операции

Одним из самых пугающих сценариев для пациентов остается так называемое случайное осознание во время общей анестезии. Это редкое осложнение, при котором человек сохраняет или восстанавливает некоторую степень сознания во время операции.

В отдельных случаях пациент впоследствии может вспомнить голоса, прикосновения или отдельные эпизоды. Риск зависит от типа операции, используемых препаратов, состояния пациента и ряда других факторов.

При некоторых вмешательствах врачи вынуждены применять меньшие дозы анестетиков, например если существует опасность значительного снижения артериального давления. Современные системы мониторинга значительно уменьшают риск подобных ситуаций, однако полностью исключить их пока невозможно.

Одна из причин заключается именно в том, что у врачей нет простого универсального прибора, который непосредственно измерял бы сознание.

Можно ли вообще измерить сознание?

Анестезиологи постоянно контролируют состояние пациента. На мониторах отображаются:

• пульс;
• артериальное давление;
• концентрация кислорода;
• дыхание;
• уровень углекислого газа;
• температура;
• иногда электрическая активность мозга.

Но ни один из этих показателей не является прямым измерением сознания.

Существуют устройства, анализирующие электроэнцефалограмму и выдающие числовой индекс глубины анестезии. Они полезны, но тоже имеют ограничения. Причина проста: разные препараты создают разные паттерны мозговой активности.

Ученым по-прежнему необходимо понять, какие именно характеристики нейронной работы действительно связаны с наличием субъективного опыта.

Почему анестезия помогает изучать сознание

Сознание чрезвычайно сложно исследовать экспериментально. Нельзя просто открыть мозг и увидеть внутри «мысль» или «ощущение красного цвета». Но анестезия дает ученым возможность сравнивать практически один и тот же мозг в двух состояниях.

Сначала человек бодрствует, затем сознание исчезает, а через некоторое время возвращается. В ходе этого процесса исследователи могут регистрировать:

• электрические сигналы;
• кровоток;
• активность отдельных сетей;
• степень связи между областями;
• реакцию на звуки;
• реакцию на прикосновения.

После этого можно искать изменения, совпадающие с исчезновением сознательного опыта. Именно поэтому анестезия стала одним из важнейших инструментов современной науки о сознании.

Главная загадка: как возникает субъективный опыт

Даже если ученые идеально опишут все изменения мозга под анестезией, останется более глубокий вопрос: почему активность нейронов вообще сопровождается субъективными ощущениями? Почему поток электрических и химических сигналов превращается в ощущение света, боли, музыки, запаха или собственной личности?

Философ Дэвид Чалмерс популяризировал название «трудная проблема сознания». Можно объяснить, какие области мозга отвечают за зрение, изучить нейронные механизмы памяти и определить системы, контролирующие внимание. Но объяснить, почему работа этих механизмов вообще ощущается «изнутри», значительно сложнее.

Анестезия особенно наглядно демонстрирует эту проблему. До введения препарата существует целый внутренний мир. После — субъективного опыта словно нет, хотя сам мозг физически остается на месте.

Парадокс пробуждения

Не менее загадочным оказывается и обратный процесс. После прекращения подачи анестетика концентрация препарата постепенно снижается, нейронные сети начинают восстанавливать связи, мозг возвращается к более сложной динамике — и в какой-то момент сознание появляется снова.

Причем это не обязательно точное зеркальное отражение процесса засыпания. Некоторые исследования показывают, что мозг может входить в состояние анестезии и выходить из него по несколько различающимся нейронным траекториям.

Это напоминает систему с несколькими устойчивыми режимами работы. Для перехода из одного режима в другой иногда необходимо пересечь определенный критический порог. Такое явление известно в физике и теории сложных систем — и, возможно, похожие принципы действуют в мозге.

Анестезия и психоделики — два противоположных эксперимента

Необычное сравнение возникает при изучении психоделических веществ. Некоторые исследования показывают, что вещества вроде псилоцибина или LSD могут увеличивать необычные взаимодействия между нейронными сетями, которые обычно общаются значительно меньше.

Условно говоря, привычные границы между системами мозга становятся менее жесткими. Под действием анестезии часто наблюдается противоположная тенденция: глобальное взаимодействие уменьшается, удаленные регионы хуже координируют работу, а количество возможных состояний нейронной системы сокращается.

Поэтому психоделики и анестетики можно рассматривать как два противоположных инструмента исследования сознания. Одни расширяют необычные варианты коммуникации между сетями, другие — резко ограничивают их. Сравнение этих состояний может помочь ученым понять, какие свойства нейронных сетей необходимы для обычного сознательного восприятия.

Эволюционно новые области мозга могут быть особенно уязвимы

Любопытные результаты дает сравнение активности мозга человека и других приматов. Некоторые исследования показывают, что во время анестезии сильнее всего меняются системы, связанные с наиболее сложными и эволюционно относительно молодыми функциями человеческого мозга.

Именно эти сети обеспечивают интеграцию большого количества информации, абстрактное мышление, саморефлексию и сложные формы поведения. Под анестезией индивидуальные особенности взаимодействия этих систем уменьшаются, и мозг словно переходит в более базовый режим работы.

Это не означает, что человек буквально возвращается к «примитивному мозгу». Но подобные наблюдения могут многое рассказать о том, какие особенности нейронной архитектуры особенно важны для сложного человеческого сознания.

Значит ли это, что ученые уже почти разгадали сознание?

Нет. Несмотря на огромный прогресс нейробиологии, мы все еще находимся только в начале пути. Есть несколько конкурирующих теорий сознания.

Одни делают акцент на глобальном распространении информации между областями мозга. Другие считают ключевым фактором степень интеграции информации внутри системы. Третьи предполагают, что особенно важны определенные корковые структуры или характер обратных нейронных связей.

Анестезия позволяет проверять такие гипотезы экспериментально. Если теория утверждает, что для сознания необходим определенный тип нейронной коммуникации, можно посмотреть, исчезает ли именно он при потере сознания.

В этом смысле операционная неожиданно превратилась еще и в лабораторию исследования одной из самых фундаментальных загадок природы.

Возможно, сознание — это не объект, а процесс

Одна из наиболее интересных идей современной нейронауки заключается в том, что искать «место сознания» может быть ошибкой. Возможно, сознание существует примерно так же, как существует музыка.

Музыка не находится внутри одной клавиши пианино. Она появляется благодаря последовательности взаимодействий между множеством элементов. Так же и сознание может быть не конкретной структурой, а динамическим процессом, возникающим тогда, когда различные части мозга способны постоянно обмениваться и объединять информацию.

Анестетик не обязательно выключает каждую «клавишу». Возможно, он просто разрушает способность мозга исполнять единую композицию.

Самая удивительная особенность наркоза

Есть одна вещь, которую большинство людей замечает после первой серьезной операции: субъективно время под анестезией практически отсутствует. Человек закрывает глаза — и почти мгновенно открывает их снова.

Между этими двумя моментами могло пройти три, пять или десять часов. Но если не было сновидений или промежуточных воспоминаний, для самого пациента этого времени словно не существовало.

Это необычайно наглядно показывает связь между сознанием и субъективным ощущением времени. Без формирования последовательности переживаний мозгу нечего складывать в ощущение прошедших часов.

Поэтому многолетнее исследование анестезии — это не только попытка сделать операции еще безопаснее. Это эксперимент над фундаментальным вопросом: что именно должно происходить в мозге, чтобы для нас вообще существовал мир?

Тайна, которой пользуются каждый день

В современной операционной анестезиолог может за несколько минут ввести человека в контролируемое состояние глубокой бессознательности и поддерживать его часами. Затем подача препаратов прекращается — и спустя некоторое время сознание возвращается.

Для пациента в этом нет ничего необычного. Для науки это почти невероятный эксперимент. Мы научились надежно выключать явление, природу которого до сих пор не понимаем до конца.

Каждая новая работа по изучению пропофола, кетамина, таламуса, коры или функциональной связности мозга постепенно приближает исследователей к ответу. Возможно, в будущем изучение анестезии позволит не только лучше контролировать состояние пациентов во время операций, но и поможет понять состояния комы, нарушения сознания, механизмы сна и фундаментальные принципы возникновения субъективного опыта.

Пока же остается один из самых удивительных парадоксов современной медицины: человечество уже почти два столетия умеет временно выключать сознание, но все еще не знает наверняка, что именно оно выключает.