Наш мир полон прекрасных ритмов. Некоторые из них мы видим и чувствуем, например, смена дня и ночи, времена года, приливы и отливы, музыкальные и ударные ритмы. Другие невидимы для нас — как радиоволны, но всё же очень полезны для нашей жизни. Во многих живых организмах и растениях они тоже присутствуют и хи часто называют колебаниями, которые образуют возвратно-поступательную сменяемость состояния.
В человеческом организме таких колебаний множество — например, сердцебиение (около 60 раз в минуту) или дыхание (около 12–30 раз в минуту) в состоянии покоя, и даже колебания уровня сахара в крови. Главное их преимущество заключается в том, что они создают баланс в системе, потребляя при этом мало энергии. Наверняка, многие из читателей посещают театральные постановки. В конце представления люди, как правило, начинают аплодировать артистам. Сначала каждый хлопает в своём ритме, создавая беспорядочную мешанину звуков. Но затем происходит нечто удивительное. Когда несколько человек случайно начинают аплодировать синхронно, внезапно остальные присоединяются к ним в том же ритме. Периодичность обычно составляет один хлопок в секунду (частота — 1 Герц). Такая синхронизация усиливает коллективный эффект, без увеличения индивидуальных усилий. Аналогично, самый простой и энергосберегающий способ для клеток мозга оставаться синхронными — это использование колебаний. Для организма это очень важно, потому что мозг прилагает все усилия для экономии энергии везде, где это возможно. Ведь он постоянно производит массу вычислений. Это можно сравнить с центром обработки данных, где много серверов выполняют похожие вычислительные процессы, постоянно потребляя большое количество энергии.
Подобное явление происходит в клетках мозга, называемых нейронами. Когда информация передаётся по мозгу, миллионы нейронов должны быть одновременно электрически активны. Используя ритмические колебания, мозг координирует работу больших групп нейронов, чтобы они действовали вместе, используя, как можно меньше энергии. Это имеет решающее значение для того, чтобы области мозга могли общаться, обмениваться информацией и эффективно работать сообща. Ритмы этих нейронных колебаний значительно различаются в разных областях мозга и при разных состояниях. Самые быстрые переходные колебания (короткие всплески мозговых волн, которые появляются на мгновение, а затем исчезают), называемые гиппокампальными волновыми пульсациями имеют частоту 200 Герц (200 раз в секунду). Сверхмедленные ритмы в мозге могут возникать только раз в 10 секунд с частотой 0,1 Герц. Между ними существует множество различных других колебаний с разными частотами и функциями.
Интересно, что мозговые колебания оставались неизменными на протяжении всей эволюции всех млекопитающих. Это означает, что у нас, по сути, те же мозговые ритмы, что и у любого другого млекопитающего — от крошечных летучих мышей, чей мозг весит 0,16 грамма и имеет объем всего несколько кубических миллиметров, до огромных китов, чей мозг весит до 9 кг и имеет объем до 8000 см. Разве не удивительно, что при увеличении размеров мозга в десятки тысяч раз основные ритмы остаются неизменными?
Учёные давно обнаружили, что различные типы мозговых колебаний очень организованы, образуя структурированную иерархическую систему, в которой одни части «управляют» поведением других. При мозговой активности более медленные колебания обычно контролируют или модулируют, более быстрые, изменяя или корректируя что-либо, например, интенсивность или скорость. Таким образом, иерархия идёт от медленных колебаний к быстрым. Каждое колебание имеет фазу и амплитуду. Это можно рассмотреть на примере маятника: фаза означает его положение в цикле — отклонение влево, вправо или позиция в центре, а амплитуда — это то, насколько сильно он отклоняется. В мозге фаза более медленных колебаний влияет на амплитуду более быстрых (модулирует её). Это называется фазово-амплитудной модуляцией, которая представляет собой блестящий механизм, создающий связь, или тесные соединения, между различными мозговыми колебаниями.
Чтобы яснее понять, как работают сопряжённые мозговые колебания, можно привести простую аналогию. Алфавит, на котором строится речь, состоит из букв, которые объединяются в слова, а те, в свою очередь, образуют осмысленные предложения и передают информацию. Самые быстрые мозговые колебания можно представить, как отдельные буквы — «А», «Б» и так далее. Более медленные колебания в мозге берут несколько быстрых, упорядочивают их и создают «слова». Наконец, самые медленные — объединяют эти «слова», чтобы создать осмысленные «предложения» и передать информацию по всему мозгу. Своеобразная «мозговая грамматика».
Оказывается, формирование памяти связано с самыми быстрыми колебаниями активности, называемыми острыми волнами, которые представляют собой мощный всплеск активности в больших группах клеток мозга в части мозга, называемой гиппокампом. Они имеют частоту около 130–180 Герц и длятся около одной десятой секунды. Во время сна они происходят тысячи раз за ночь, так как содержат небольшие фрагменты воспоминаний о событиях, произошедших в течение дня. Этот механизм «воспроизводит» события дня снова и снова — подобно просмотру фильма, перемотке и повторному воспроизведению отдельных фрагментов, формируя воспоминания и сохраняя их во время сна.
Как и другие мозговые колебания, эти быстрые волны частотой около 200 Герц следуют иерархическому принципу. Они модулируются по фазе более медленными волнами около 10–15 Герц, называемыми «сонными веретенами» с фазой колебания около 1 Герц, которые появляются, когда человек засыпает. В свою очередь, эта активность модулируется волной около 0,1 Герц, которая следует за медленными изменениями кровотока и мозговой активности, способствует глубокому сну и памяти. А эта волна модулируется ритмом около 0,017 Герц (примерно раз в минуту), связанным с тем, насколько бодрствует или спит человек. Управляет всем этим самый медленный ритм (около 0,0011 Герц — примерно каждые 15 минут), исходящий от тела, который задаёт общее настроение и баланс мозга.
Возвращаясь к грамматическим терминам, можно представить себе острые волновые колебания в гиппокампе, как буквы, представляющие собой небольшие фрагменты повседневных событий. Более медленные колебания организуют эти буквы в слова и предложения. В конечном итоге они формируют «литературное произведение» (целую последовательность событий) в памяти, все буквы (фрагменты памяти) которого существовали и раньше, но им требовалась реорганизация внутренним «поэтом», чтобы создать окончательное запоминание. Этим поэтом является иерархическая система мозговых колебаний. Окончательная память подобна ежедневному фильму, который легко можно вспомнить. Если бы эти паттерны были стёрты, человек бы ничего не смог вспомнить из прочитанного в этой статье. Когда эти колебания нарушены, например, при болезни Альцгеймера — память даёт сбой.
