การทำงานในสมองกับการเข้าสมาธิ

การเจริญกรรมฐาน 
() ผลต่อการทำงานของสมอง และผลต่อระบบประสาทกลาง
ได้กลายมาเป็นประเด็นงานวิจัยข้ามสาขาในประสาทวิทยาศาสตร์ จิตวิทยา และชีววิทยาประสาท (neurobiology) ในช่วงท้ายคริสต์ศตวรรษที่ 20
งานวิจัยได้พยายามที่จะกำหนดและแสดงลักษณะของการเจริญกรรมฐาน/การเจริญภาวนา/การนั่งสมาธิ แบบต่าง ๆ 
ผลการเจริญกรรมฐานต่อสมองมีสองแบบ คือผลต่อภาวะสมองระยะสั้นเมื่อกำลังเจริญกรรมฐาน และผลต่อลักษณะที่มีในระยะยาว

ประเด็นการศึกษาบ่อยครั้งจะเป็นเรื่องการเจริญสติ 
ซึ่งเป็นกรรมฐานของชาวพุทธทั้งในแบบวิปัสสนา และในรูปแบบของนิกายเซน 
ศ. ดร. จอน คาแบต-ซินน์ ผู้เป็นศาสตราจารย์กิตติคุณของคณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ ผู้ก่อตั้งโปรแกรม MBSR เพื่อช่วยลดความเครียดอาศัยสติ ได้กล่าวถึงการเจริญสติว่า เป็นการใส่ใจในขณะปัจจุบัน อย่างไม่มีอคติ อย่างสมบูรณ์

การบันทึกคลื่นไฟฟ้าสมอง (Electroencephalography, ตัวย่อ EEG) เป็นวิธีหลักที่ใช้ในงานศึกษาหลายงาน เพื่อตรวจสอบสมองที่กำลังเจริญกรรมฐาน
EEG ใช้ตัวนำไฟที่แปะไว้ทั่วหนังศีรษะ เพื่อวัดการทำงานของเปลือกสมอง
โดยเฉพาะแล้ว EEG วัดสนามไฟฟ้าของนิวรอนกลุ่มใหญ่
ข้อดีของ EEG ก็คือรายละเอียดทางเวลา คือสามารถวัดการทำงานแบบรวม ๆ ของคอร์เทกซ์บางส่วน ในระดับมิลลิวินาที
ข้อเสียเมื่อเทียบกับวิธีการสร้างภาพทางสมองอื่น ๆ ก็คือ EEG มีรายละเอียดทางปริภูมิไม่ดี ดังนั้น จึงเหมาะที่จะใช้วัดการทำงานแบบเกิดเอง (spontaneous activity) ของคอร์เทกซ์
ซึ่งจัดออกเป็น 4 ประเภทตามความถี่ของคลื่นสมอง
เริ่มตั้งแต่คลื่นเดลตาความถี่ต่ำ (< 4 เฮิรตซ์) ซึ่งสามัญในช่วงเวลานอน
ไปจนถึงคลื่นบีตา (13-30 เฮิรตซ์) ที่มีเมื่อตื่น
และในระหว่างคลื่นความถี่ทั้งสองนี้ ก็คือ คลื่นทีตา (4-8 เฮิรตซ์) และคลื่นแอลฟา (8-12 เฮิรตซ์)

งานศึกษาหลายงานเกี่ยวกับสติกรรมฐาน ซึ่งมีการปฏิทัศน์ในปี ค.ศ. 2006 เชื่อมคลื่นแอลฟาและทีตาที่มีความถี่ต่ำกว่ากับกรรมฐาน (คือเมื่อเจริญสติกรรมฐาน มักจะพบคลื่นแอลฟาและทีตาบ่อยครั้งกว่าคลื่นแอลฟา)
แต่มีงานทดลองเก่า ๆ ที่รายงานผลที่เฉพาะเจาะจงยิ่งกว่านั้น เช่น งานศึกษาในปี ค.ศ. 1966 พบ alpha blocking ที่ลดลง และมีการทำงานแบบทีตาเพิ่มขึ้นเฉพาะในสมองกลีบหน้า 
alpha blocking เป็นปรากฏการณ์ที่สมองที่กำลังทำงาน ที่ปกติแสดงการทำงานแบบคลื่นบีตา จะไม่สามารถเปลี่ยนไปเป็นทำงานแบบคลื่นแอลฟา ที่มักจะเกี่ยวข้องกับการระลึกถึงความจำ
เป็นงานที่อาจแสดงว่า เมื่อกำลังเจริญกรรมฐาน บุคคลจะอยู่ในสภาพที่ผ่อนคลายมากกว่า แม้ว่าจะยังมีความสำนึก (awareness) ที่ชัดเจน
แต่ว่า งานทบทวนสองงานในปี ค.ศ. 2006 และ 2010 ชี้ว่า งานทดลองเก่า ๆ เหล่านั้น มีกลุ่มควบคุมและการวิเคราะห์ทางสถิติที่ไม่ดี และให้ความเห็นว่า ผลงานสามารถบอกได้เพียงว่า มีระดับการทำงานแบบแอลฟาและทีตาที่สูงขึ้นจริง ๆ
fMRI เป็นเทคโนโลยีอีกอย่างหนึ่งที่ใช้กันในระดับสูง เพื่อศึกษาความเปลี่ยนแปลงของสมองที่กำลังเจริญกรรมฐาน
fMRI สามารถตรวจจับการเพิ่มการไหลเวียนของเลือด ไปยังเขตสมองที่มีระดับเมแทบอลิซึมสูง
ซึ่งเป็นเขตที่กำลังทำงานตอบสนองต่อสิ่งเร้าที่ปรากฏอยู่
เทียบกับ EEG ข้อเหนือของ fMRI อยู่ที่ความละเอียดทางปริภูมิ คือสามารถสร้างแผนที่การทำงานสมองได้อย่างละเอียด
ข้อด้อยอยู่ที่ความละเอียดทางกาลเวลา คือไม่สามารถวัดการทำงานที่ค่อย ๆ เป็นไปได้อย่างละเอียด ไม่เหมือนกับ EEG

เนื่องจากยังเป็นเทคโนโลยีที่ใหม่ จึงพึ่งเริ่มมีการใช้ fMRI เพื่อตรวจสอบความเปลี่ยนแปลงในสมองเมื่อเข้ากรรมฐาน เมื่อเร็ว ๆ นี้
ซึ่งพบว่า มีการทำงานในระดับที่สูงขึ้นที่ anterior cingulate cortex, สมองกลีบหน้า, และคอร์เทกซ์กลีบหน้าผากส่วนหน้า โดยเฉพาะในเขตหลังด้านใน (dorsal medial) เมื่อกำลังเจริญวิปัสสนา 
และโดยนัยเดียวกัน cingulate cortex และสมองกลีบหน้า ก็ทำงานเพิ่มขึ้นในระหว่างการเข้ากรรมฐานแบบเซน 
งานศึกษาทั้งสองนี้ ให้ข้องสังเกตว่า อาจจะมีระดับการควบคุมความใส่ใจที่สูงขึ้น ในระหว่างสติกรรมฐานทั้งสองแบบ
งานทบทวนสองงานในปี ค.ศ. 2006 และ 2010 กล่าวว่า เป็นผลของกรรมฐานต่าง ๆ ที่พบอย่างสม่ำเสมอในเขตสมองเหล่านี้
โดยอ้างงานศึกษาที่ทำในกรรมฐานอื่น ๆ และแนะนำว่า ควรจะมีการตรวจสอบเพิ่มขึ้น โดยที่มีกลุ่มควบคุมที่ดีกว่า

งานศึกษาในปี ค.ศ. 2008 พุ่งความสนใจไปที่การตอบสนองทางอารมณ์ความรู้สึก ในระหว่างการเข้ากรรมฐาน 
โดยให้ผู้ร่วมการทดลองทั้งที่เป็นผู้ฝึกใหม่ ทั้งผู้ชำนาญ เข้ากรุณากรรมฐาน (compassion meditation) แล้วทดสอบปฏิกิริยาต่อเสียงที่แสดงความทุกข์
ภาพ fMRI แสดงระดับการทำงานที่สูงขึ้นใน cingulate cortex, อะมิกดะลา, temporo-parietal junction, และ ร่องสมองกลีบขมับส่วนบนกลีบขวาข้างหลัง เป็นปฏิกิริยาต่อเสียง
นักวิจัยเชื่อว่า การทำงานเยี่ยงนี้ แสดงความอ่อนไหวที่เพิ่มขึ้นต่อการแสดงออกทางอารมณ์ความรู้สึกของผู้อื่น และแสดงอารมณ์เชิงบวกของผู้ปฏิบัติกรรมฐาน

โดยเหมือนกับงานวิจัยเกี่ยวกับความเปลี่ยนแปลงการทำงานของสมองในระยะสั้น งานวิจัยรุ่นเก่า ๆ อ้างอย่างเฉพาะเจาะจงว่า มีความเปลี่ยนแปลงระยะยาวในผู้ปฏิบัติกรรมฐาน เทียบกับผู้ไม่เจริญกรรมฐาน
ความเปลี่ยนแปลงต่อคลื่นแอลฟา กล่าวว่าเป็นทั้งความเปลี่ยนแปลงระยะสั้นและระยะยาว
คือ มีงานวิจัยหลายงาน (1966, 1981) ที่รายงานคลื่นความถี่โดยเฉพาะในระยะแอลฟาที่มีเพิ่มขึ้น การเพิ่มกำลังของคลื่นแอลฟา และระดับความถี่ที่ลดลงใน EEG ในนักกรรมฐานผู้ชำนาญ เทียบกับผู้ฝึกใหม่ เมื่อกำลังอยู่ในกรรมฐาน 
ปรากฏการณ์ alpha blocking ที่เป็นความเปลี่ยนแปลงการทำงานของสมอง ได้รับการตรวจสอบว่าเป็นผลระยะยาวด้วยหรือไม่
งานวิจัยในปี ค.ศ. 1981 ตรวจสอบรูปแบบการเจริญกรรมฐานหลายอย่าง เพื่อที่จะแสดงว่า การฝึกกรรมฐานระยะยาวจะมีผลต่อ alpha blocking โดยทดสอบปฏิกิริยาต่อสิ่งเร้าทางหู 
แต่ว่างานทบทวนภายหลัง (2000, 2006) ให้ข้อสังเกตว่า ผลที่พบไม่ค่อยลงรอยกันและไม่มีผลที่ทำซ้ำต่อ ๆ มา ทั้งในงานนี้ และในงานอื่น ๆ
และบอกต่อไปว่า โดยคล้ายกับสังเกตการณ์ของการทำงานระยะสั้นที่เปลี่ยนไป ผลงานวิจัยสามารถบอกผลระยะยาวเพียงได้ว่า มีความเปลี่ยนแปลงในรูปแบบคลื่นสมองจริง ๆ แต่ไม่ค่อยสม่ำเสมอ 
นอกจากนั้นยังมีข้อสังเกตอีกด้วยว่า แม้ว่า ความเปลี่ยนแปลงเช่นนั้นจะพบในระหว่างเจริญกรรมฐาน งานวิจัยโดย EEG ยังไม่ได้แสดงผลเปลี่ยนแปลงต่อสมองในระหว่างที่ไม่ได้เจริญกรรมฐาน แม้ในบุคคลผู้ชำนาญ
ความเปลี่ยนแปลงระยะยาวทางสมองยังเห็นได้จากรูปสมอง บ่อยครั้งที่สุดสร้างโดยใช้ fMRI
ในงานวิเคราะห์อภิมานของงานวิจัย 21 งานที่มีการสร้างภาพทางสมอง พบว่า มีเขตสมอง 8 เขต ที่เปลี่ยนแปลงอย่างสม่ำเสมอ
รวมทั้งเขตสำคัญต่อ meta-awareness คือ frontopolar cortex หรือบริเวณบรอดมันน์ 10,
การรับรู้อากัปกิริยาของกายทั้งภายในภายนอก (exteroceptive and interoceptive) คือ คอร์เทกซ์รับความรู้สึก และ insular cortex, 
การรวมความจำและการรวมความจำใหม่ (memory consolidation and reconsolidation) คือบริเวณฮิปโปแคมปัส
การควบคุมตนเองและอารมณ์ความรู้สึก คือ anterior cingulate cortex และ orbitofrontal cortex,
และการสื่อสารภายในกลีบสมองและข้ามกลีบสมอง คือ superior longitudinal fasciculus และ corpus callosum 
ความเปลี่ยนแปลงที่ว่านี้ เห็นจากความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นของเนื้อเทาและเนื้อขาว ในบุคคลที่เจริญกรรมฐานเทียบกับบุคคลที่ไม่เจริญ
และการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างที่พบมากที่สุด อยู่ในสมองกลีบซ้าย
ยังมีหลักฐานอีกด้วยว่า การเจริญกรรมฐาน มีบทบาทป้องกันการลดปริมาตรเนื้อเทา ที่เกิดเมื่ออายุมากขึ้น
งานวิจัยในปี ค.ศ. 2007 พบหลักฐานว่า ผู้เจริญกรรมฐานแบบเซน มีปริมาตรเนื้อเทาใน putamen ซึ่งมีบทบาทเกี่ยวกับการเรียนรู้ ความยืดหยุ่นทางประชาน และการประเมินผลเกี่ยวกับการใส่ใจ ที่ลดลงในอัตราที่ต่ำกว่าผู้ไม่เจริญ 
ซึ่งอาจจะแสดงว่า ผู้เจริญกรรมฐานมีการใส่ใจที่ดีกว่าผู้ไม่เจริญกรรมฐาน

ผู้ปฏิบัติกรรมฐานในระยะยาว ยังสามารถอดทนต่อความเจ็บปวดได้ดีกว่าอีกด้วย 
เป็นปรากฏการณ์ที่สัมพันธ์กับหน้าที่และโครงสร้างที่เปลี่ยนไป ของคอร์เทกซ์รับความรู้สึกทางกาย (somatosensory cortices) และความสามารถเพิ่มขึ้นที่จะแยกส่วนต่าง ๆ ของสมอง จากส่วนที่ประเมินความรู้สึกเจ็บปวดทางประชาน คือ anterior cingulate cortex และ dorsolateral prefrontal cortex

แต่ความเปลี่ยนแปลงที่พบในผู้เจริญกรรมฐาน โดยมากจะพบเฉพาะในคอร์เทกซ์ที่เกี่ยวข้องกับ executive functions และ คอร์เทกซ์สัมพันธ์ (association cortices) 
ซึ่งสนับสนุนความคิดว่า การเจริญกรรมฐานช่วยเพิ่มการควบคุมตัวเองและความใส่ใจ
งานวิจัยเร็ว ๆ นี้ ยังได้ตรวจสอบว่า ความเปลี่ยนแปลงเช่นนี้ อาจจะเปลี่ยนแปลงการทำงานร่วมและการเชื่อมต่อกับ default mode network (DMN) อย่างไร DMN เป็นเครือข่ายของเขตต่าง ๆ ในสมองที่มีสมมุติฐานว่า จะทำงานเมื่อบุคคลทำงานทางใจรวมทั้งฝันกลางวัน

งานวิเคราะห์อภิมานของงานวิจัยต่าง ๆ ในปี ค.ศ. 2014 รายงานว่ามีความเอนเอียงหลายประเภท ซึ่งทำให้มีปัญหาขึ้นว่า งานวิจัยที่ใช้การสร้างภาพทางสมองเหล่านี้สมเหตุสมผลหรือไม่ นักวิเคราะห์เสนอว่า ความเอนเอียงในการตีพิมพ์ อาจทำให้มีการรายงานผลที่มีนัยสำคัญมากเกินไป
และว่า ความแตกต่างทางสมองที่สำคัญ ที่พบในผู้เจริญกรรมฐาน อาจจะเป็นความแตกต่างกันทางสมองที่มีอยู่แล้ว
และจะต้องมีงานวิจัยเพิ่มขึ้นอีก ก่อนที่จะมีข้อสรุปที่ดีได้ในเรื่องนี้

นอกจากวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ นักเขียนบางท่านยังเขียนหนังสือเกี่ยวกับงานวิจัยเรื่องกรรมฐาน เพื่อให้บุคคลทั่วไปอ่านอีกด้วย หนังสือเล่มหนึ่งเช่นนี้คือ "Buddha’s Brain (สมองพุทธ)" โดย ดร. ริค แฮนสัน ที่พิมพ์ในปี ค.ศ. 2009 
ดร. แฮนสันผู้เป็นนักวิจัยทางประสาทวิทยาศาสตร์ ได้อธิบายให้ผู้อ่านฟังเกี่ยวกับงานศึกษาทางวิทยาศาสตร์ ในภาษาที่เข้าใจได้ง่าย และประโยชน์ที่อาจจะได้จากผลงานวิจัย
ข้อความหลักของ ดร. แฮนสันก็คือ อารมณ์เชิงบวก เช่นความรัก สามารถเพิ่มกำลังโดยการเจริญกรรมฐาน ซึ่งจะเปลี่ยนสภาพทางสมอง โดยอ้างงานวิจัยเป็นโหล ๆ เพื่อสนับสนุนความคิดนี้ 
แต่มุมมองนี้ เป็นตัวแทนหนึ่งของขบวนการยอดนิยมในสังคมชาวตะวันตกปัจจุบัน ที่จะศึกษาและเปิดอกรับหลักความคิดของชาวตะวันออกบางอย่าง รวมทั้งการเจริญกรรมฐานด้วย

ผู้ที่ไม่เห็นด้วย เช่น นักประสาทชีววิทยา ดร. โอเว็น แฟลเนแกน ของมหาวิทยาลัยดุ๊ก เชื่อว่า ดร. แฮนสัน และนักเขียนอื่น ๆ ในแนวเดียวกัน พูดเกินเลยผลที่ได้จากงานศึกษาทางวิทยาศาสตร์ 
ในหนังสือ "Bodhisattva’s Brain: Buddhism Naturalized (สมองพระโพธิสัตว์ หลักพุทธอธิบายตามธรรมชาติ)" ดร. แฟลเนแกนแสดงมุมมองที่เคร่งครัดกว่า จากผลที่ได้จากงานศึกษาวิทยาศาสตร์ปัจจุบัน แล้วเตือนผู้อ่านไม่ให้ตื่นเต้นเกินความจริง เพราะผลงานศึกษาเร็ว ๆ นี้ 
คือเขาไม่เชื่อว่า ผลงานวิทยาศาสตร์สนับสนุนความคิดว่า อารมณ์เชิงบวกสามารถทำให้มีกำลังขึ้น ในทำนองเดียวกับที่ผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมอง สามารถกลับมาใช้แขนขาได้อีกถ้าฝึกใช้ 
ดร. แฟลเนแกนคิดว่า การเจริญกรรมฐานน่าจะมีประโยชน์บางอย่าง แต่ว่า กลไกและกระบวนการที่การเจริญกรรมฐานมีผลต่อสมอง ยังเป็นเรื่องที่ไม่ชัดเจน 
ทั้ง ดร. แฟลเนแกน และ ดร. แฮนสัน ใช้ผลงานวิทยาศาสตร์เดียวกัน เพื่อจะสนับสนุนมุมมองของตน แต่นักเขียนแม้ทั้งสองล้วนแต่ชี้ความจำเป็นและความสำคัญ ในการทำงานวิจัยต่อ ๆ ไปเพื่อศึกษาเรื่องการเจริญกรรมฐาน