Сознание, как явление субъективного восприятия реальности и самосознания, базируется на строго организованной деятельности нервной системы, прежде всего — коры головного мозга. С точки зрения биофизики, сознание представляет собой результат динамического взаимодействия между различными нейронными ансамблями, связанных в функциональные сети.
Центральную роль в этом процессе играют осцилляторные активности мозга, которые обеспечивают согласование информационных потоков. Различные диапазоны частот — дельта (0,5–4 Гц), тета (4–8 Гц), альфа (8–13 Гц), бета (13–30 Гц), гамма (30–100 Гц) — участвуют в модуляции когнитивных процессов. Особенно важны гамма-осцилляции, которые коррелируют с фокусом внимания, рабочей памятью и интеграцией сенсорной информации.
Когерентность между отдалёнными участками коры при гамма-активности обеспечивает синхронизацию процессов восприятия и мышления. Биофизически эта синхронизация реализуется через временную координацию потенциалов действия на уровне популяций нейронов, что создаёт условия для интеграции распределённой нейронной активности в единую когнитивную систему.
Электрическая активность мозга обусловлена генерацией и распространением потенциалов действия и постсинаптических потенциалов. На биофизическом уровне это описывается уравнениями Ходжкина–Хаксли и их модификациями. Распространение возбуждения по аксонам и дендритам, а также модуляция активности на синаптическом уровне составляют основу нейронной передачи.
Нейронные ансамбли обладают способностью к нейронной синхронизации, то есть согласованному возбуждению, которое позволяет эффективно кодировать информацию. Принцип нейронной ансамблевой динамики предполагает, что сознание возникает не как результат локальной активности, а как результат распределённой и синхронизированной работы обширных нейронных сетей.
Эта организация поддерживается не только за счёт прямых синаптических связей, но и за счёт электрических синапсов (щелевых контактов), обеспечивающих быструю и точную синхронизацию. Электротоническое взаимодействие через щелевые соединения играет важную роль в сетях, участвующих в формировании состояния бодрствования и осознанного восприятия.
Сознательная деятельность требует значительных энергетических затрат. Мозг потребляет около 20% энергии организма, несмотря на то что его масса составляет лишь 2% от общей массы тела. Главным источником энергии служит аэробное окисление глюкозы, обеспечивающее высокий уровень АТФ.
В условиях сознательной активности наблюдается увеличение локального кровотока в активных зонах коры, что фиксируется методами функциональной визуализации (фМРТ, ПЭТ). Это связано с активацией нейроглиальных регуляторных механизмов, обеспечивающих приток кислорода и глюкозы к функционирующим нейронным ансамблям. Астроциты играют ключевую роль в регуляции энергетического метаболизма и буферизации нейрональной активности.
Особую важность имеет локальное усиление окислительного метаболизма в областях, вовлечённых в выполнение задач, связанных с сознанием: префронтальной коре, поясной извилине, теменно-височных соединениях. Изменения в энергетическом обеспечении этих зон могут приводить к изменениям уровня сознания (сон, анестезия, патологии).
Существуют модели, предполагающие участие квантовых процессов в механизмах сознания. Одна из наиболее известных — гипотеза орх-ОР (orchestrated objective reduction) Пенроуза и Хамероффа. Согласно этой модели, микротрубочки нейронов могут служить местом возникновения когерентных квантовых состояний, способных обрушиваться (редуцироваться) в результате объективных квантовых флуктуаций, что и интерпретируется как момент сознательного события.
Хотя гипотеза остаётся спорной, она инициировала обширные исследования в области биофизики квантовой когерентности, в том числе в связи с возможной устойчивостью квантовых состояний в клеточных структурах при физиологических температурах. Внимание уделяется также квантовой туннельной передаче в синаптических процессах и возможной роли спиновых состояний протонов в молекулах воды, окружавших микротрубочки.
Сознание подвержено влиянию внешних и внутренних электромагнитных полей. На биофизическом уровне значительный интерес представляет воздействие транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), транскранической переменной стимуляции (tACS) и транскранической постоянной стимуляции (tDCS). Эти методы способны изменять электрическую активность коры и модулировать субъективные состояния сознания.
Действие таких методов объясняется как изменением возбудимости нейронов (через сдвиг мембранного потенциала), так и усилением или ослаблением когерентности осцилляторных процессов. Особенно выраженный эффект наблюдается при воздействии в диапазоне альфа- и тета-ритмов, связанных с расслаблением, концентрацией и воспоминанием.
Современные данные показывают, что астроциты, олигодендроциты и другие глиальные клетки участвуют в регуляции сознания не только через метаболические функции, но и через кальциевые волны и нейроглиальные синапсы. Астроцитарные сети формируют глобальные кальциевые паттерны, которые могут быть связаны с регуляцией арousal-состояний.
Внеклеточная матрица также играет ключевую роль, обеспечивая ионный гомеостаз, буферизацию медиаторов и изменение проницаемости синаптических щелей. Эти процессы влияют на нейронную пластичность, а значит — на возможность осознанного обучения и памяти.
Нарушения сознания — кома, вегетативное состояние, минимальное сознание — сопровождаются дезинтеграцией когерентной нейронной активности. Исследования показывают, что такие состояния характеризуются снижением информационной взаимосвязанности между участками коры, особенно между фронтальными и теменными зонами.
Используя методы электроэнцефалографии высокой плотности, магнитоэнцефалографии и информационной энтропии, можно количественно оценивать уровень сознания на основе биофизических параметров. Модель интегрированной информации (IIT) Тонони, получившая широкое распространение, оперирует биофизическим параметром ϕ, измеряющим степень интеграции информации в системе — чем выше ϕ, тем выше уровень сознания.
Сознание — не статическое явление, оно формируется и развивается в результате нейропластичности. Биофизически это выражается в долговременной потенциации (LTP) и долговременной депрессии (LTD), механизмах, которые зависят от изменений проницаемости синапсов, плотности рецепторов, уровня кальция и изменений в экспрессии генов.
Модели нейронных ансамблей с модулируемой связностью (например, на основе правил Хебба) демонстрируют, как может происходить самоорганизация сознательных паттернов в ответ на опыт. Таким образом, биофизическая основа сознания включает не только мгновенные физиологические процессы, но и долговременные структурно-функциональные изменения, обеспечивающие адаптацию и идентичность субъективного опыта.