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研究发现大脑存在暗能量 休息时仍在工作

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许多神经科学家长时间都假设处于休息状态时,你头脑内的大部分神经活动与你瞌睡时大脑平缓的模式是匹配的。但是最近采用神经成像技术产生的分析已经显示出一些很不寻常的结论:当一个人向后靠着椅子坐下并且什么都不做的时候,大脑中仍然发生了大量的有意义活动。


图1:我们的思想开小差时所激活的大脑脑区,可能藏着理解神经疾病甚至意识本身的钥匙。

图2:新旧之争:休息时的大脑

图3:DMN:默认模式网络

图4:作者

网易探索2月23日报道 想像一下你躺在户外的休闲椅上,大腿上放一本杂志看着的时候,你快要打瞌睡的情景。这时突然一只苍蝇停落在你的手臂上。你抓起杂志向苍蝇拍去。苍蝇停落在你的手臂上之后的时间里,你的大脑中发生了什么呢?同时刚好在这(苍蝇停落)之前你的大脑里又发生了什么呢?许多神经科学家长时间都假设处于休息状态时,你头脑内的大部分神经活动与你瞌睡时大脑平缓的模式是匹配的。在这种观点中,休息时大脑的活动只不过是随机的噪声,类似于一个电视台无法播放时电视屏幕上的雪花。所以,当苍蝇停落在你的前臂上时,大脑的精力都集中在拍死苍蝇的有意识的任务上。但是最近采用神经成像技术产生的分析已经显示出一些很不寻常的结论:当一个人向后靠着椅子坐下并且什么都不做的时候,大脑中仍然发生了大量的有意义活动。

结果是当你的思想处于休息状态——你在椅子上静静地做白日梦时,又比如熟睡在床上或者手术时的麻醉状态——散布的各个大脑脑区彼此间仍然在“喋喋不休”。这种持续激活的消息传递(也被称为大脑的默认模式)所消耗的能量,大约是大脑对一只烦人的苍蝇或者其他外界刺激作出有意识反应时所消耗能量的20倍。的确,大部分我们有意识做的事情,无论是坐下来吃晚餐或者是作一次演讲,相对于大脑默认模式的基线(baseline)活动都表现出能量的跃增。

理解大脑默认模式的关键是对此前未被识别的、被称为大脑默认模式网络(DMN)的大脑系统的发现。虽然DMN在组织神经活动中的确切作用还在研究中,但它可能能够指出大脑组织记忆和各种需要对未来事件做准备的系统的方式:当你感觉到苍蝇在你手臂上的痒时,大脑的运动系统(motor system)必须激活并且做好拍打的准备。DMN可能在使大脑各部分同步协调起来的过程中扮演着关键性的角色,就像跑道赛中的选手,当发令枪打响时他们全部都处于合适的“设定”模式中。如果DMN确实是使大脑对有意识活动做好准备,那么研究它的作用可能对揭示意识经验的性质提供线索。而且,神经科学家有理由认为,DMN的瓦解可能引发简单的心理错误,同时也可能引发一系列复杂的大脑疾病,从老年痴呆症到抑郁症(depression)。

探索暗能量

认为大脑可能不停在忙碌的观点并不新颖。这种观点的一位早期支持者是汉斯·伯杰(Hans Berger),他也是常听说的脑电图(electroencephalogram)的发明者;脑电图通过图表中一系列起伏的曲线来记录大脑的电活动。描述该发现的论文发表于1929年,对后来的研究有着巨大的影响力;在论文中,伯杰演绎了一种设备发现的无休止的电信号振荡,这种设备之所以能使用“我们必须假设中枢神经系统始终处于有相当多活动的状态中,而且不仅仅是在清醒阶段”。

但是他关于大脑如何行使职能的观点被大大地忽视了,甚至在无创性成像方法成为神经科学实验室的固定设备后也仍然如此。起先,在1970年代晚期,正电子断层扫描(PET)兴起,PET测量葡萄糖新陈代谢、血流和耗氧量作为指标来显示神经元活动的强度。1992年功能磁共振成像(fMRI)随之兴起,fMRI通过测量大脑的氧化作用来达到同样的目的。不管这两种技术是否结合使用,它们都足够测定大脑的活动,但是大部分研究的实验设计不经意间导致了一种印象,即大部分大脑脑区都保持很安静的状态,直到大脑被要求去执行某些特定的任务时才有激活。

操作成像实验的神经科学家通常都试图精确定位导致某一特定知觉或行为的大脑脑区。为定义这些脑区,最好的实验设计是简单地比较两个相关条件下的大脑活动。比如,如果研究者想要看看,相较于默声地注视词语(“控制”条件)哪一个大脑脑区对出声朗读词语(“测试”条件)起着重要作用,他们将会寻找这两个条件下大脑成像之间的差异。同时为了清晰地考察这些差异,他们基本上是用主动出声朗读所得影像中的体素减去被动默声阅读所得影像中的体素;那些神经元的活动(在相减之后)仍然保持“激活”的脑区将被认为是出声朗读所必需的脑区。所有这些激活都被称为(某一行为)内在的大脑活动,而持续不断的大脑背景活动将被抛弃在裁剪室的地板上。以这种方式阐述成像数据很容易预见在某一特定行为期间“激活”的大脑脑区,似乎那些脑区直到被某一特定任务需要才会激活。

然而多年来,我们的团队以及其他研究者对某个人在简单地休息并且让思绪自由蔓延时发生了什么很感兴趣。这一兴趣源于各种研究的一系列线索,这些研究暗示了这种幕后的大脑活动的激活程度。

一个线索纯粹来自对大脑影像的视觉检查。影像显示大脑许多区域的脑区在“测试”条件和“控制”条件下都很忙碌。某种程度上因为这种共享的背景“噪声”,使得通过查看分离的原始影像从控制状态中分辨出测试任务,即便不是不可能也很困难;而且只有运用先进的计算机图像分析才能实现。

进一步的分析指出执行特定任务使得大脑的能量消耗增加了,增加的消耗量略小于最基础的基线活动所需能量的5%。全部活动的很大一部分——大脑所消耗所有能量的60%到80%——都发生在与任何外界事件都无关的大脑回路中。为了向我们的天文学家同事致敬,我们的团队达成一致,参考同样也描绘了大部分宇宙的看不见的能量(暗能量),称这种内在的活动为大脑的暗能量。

关于神经暗能量存在性的问题,也是在观察从实际涉及到大脑内部加工区域的官能中获取的信息竟然如此之少时发现的。比如,视觉信息在经过眼睛到达大脑的视觉皮层时就显著降低了。

我们身处的世界中可获取的、几乎无限的信息,以相当于100亿比特每秒的速度抵达眼睛后部的视网膜。因为连接到视网膜的视神经只有100万个输出接点,信息仅能以600万比特每秒的速度离开视网膜,而且最终仅仅以一万比特每秒的速度传输到大脑的视觉皮层上。

进一步的加工之后,视觉信息进入大脑中负责组织我们意识知觉的区域。出人意料的是,构成意识知觉的信息的速度居然比100比特每秒还要小。如果仅仅只考虑大脑,这样微弱的数据流可能都无法产生知觉感受;所以大脑的内在活动必须在这其中扮演一定的角色。

大脑内在加工力的另一个迹象来源于对突触(synapse)数量的统计,突触是神经元之间的连接点。在大脑视觉皮层中,参与输入视觉信息的突触数量比参入显示视觉信息(输出阶段)的突触数量的10%还少。所以,这个巨大的差额必须以大脑区域中神经元之间的内在连接来解释。

发现默认模式

这些大脑内在活动的线索已得到很好的证实。但是大脑内在活动的生理学基础——以及它可能如何影响知觉和行为仍需一些了解。值得高兴的是,在PET研究中偶然得到的一份令人费解的观察数据,后来被fMRI研究证实,这为我们铺设了一条发现默认模式网络(DMN)的道路。

在1990年代中期我们非常偶然地注意到,当被试在执行一些任务时,相较于基线的休息状态,某些大脑区域出人意料地出现了激活水平的下降。这些脑区——尤其是顶叶皮层中部(大脑中部附近的区域,参与记忆一个人生活中的私人事件,此外也参与其他的加工)——在其他脑区参与执行诸如出声朗读这样经定义的任务时,却显示了这种激活水平的下降。迷迷糊糊地,我们将显现最大下降的脑区命名为MMPA,即“令人迷惑的顶叶中部脑区”。

随后,一系列PET实验都证实当没有参与有意识活动时,大脑也远非是闲置空转的。实际上,MMPA以及其他大部分脑区都保持着持续不断的激活,直到大脑关注于某些新颖的任务,在这时大脑内在活动中某些脑区的激活开始下降。起先,我们的研究遭到一些怀疑。在1998年我们甚至有一篇关于此发现的论文被拒绝,因为一名审稿人暗示说我们论文所报告的激活下降是我们数据出现的错误导致的。那名评审人(不无嘲讽地)宣称,大脑回路居然是在休息时开启,在执行任务时关闭(传统观点与此相反,译者注)。不过,其他研究者再现了我们的结果,而且是在顶叶皮层中部和前额叶皮层中部(该脑区参与想像其他人在想什么以及我们情绪状态的各个方面)。现在这两个脑区都被认为是DMN的两个主要中心。

DMN的发现为我们提供了一种新思路去考虑大脑的内在活动。直到这些论文发表,神经生理学家们才以我们思考视觉或者运动系统的方式将这些脑区视为一个系统——作为一系列分离的脑区,它们彼此传递信息才能完成一项任务。但是在休息时大脑的多个脑区可能显现这种内在活动的观点并没有经过神经影像学的检验。那么是否只有DMN会展现这种特性呢?或者说是否存在更广泛的遍及全脑的网络呢?以我们理解和分析fMRI的方式得到的一个惊奇的发现为我们回答这些问题提供了良机。

fMRI信号通常是指血氧水平依赖(BOLD)信号,因为这种成像方法依赖于血流变化导致的人类大脑中的氧水平的变化。在安静休息的状态下观察时,大脑任何脑区的BOLD信号都以大约每10秒一次的周期缓慢地波动。如此缓慢地波动仅仅是考虑到噪声的存在,这样扫描仪获取的数据经过简单的剔除后就能更好地分辨进行成像时特定任务的大脑活动。

舍弃低频信号的明智判断在1995年被讨论,当时威斯康星大学医学院(the Medical Collegeof Wisconsin)的巴拉特·毕斯维尔(BharatBiswal)以及同事观察到,甚至当一名被试保持静止不动时,控制右手运动的大脑脑区中的“噪声”,与大脑另一侧控制左手运动的脑区的类似活动同时波动。在2000年代早期,斯坦福大学(StanfordUniversity)的迈克尔·格雷丘斯(MichaelGreicius)和他的合作者在一名保持不动的被试中发现了DMN的相同的同步波动。

由于对DMN在大脑功能中的作用的兴趣快速增加,格雷丘斯团队的发现引起世界范围内的实验室对内在活动的热情,包括我们的实验室,因为这个研究对所有噪声以及主要大脑系统的内在活动都进行了影射成像。这些显著的活动模式甚至在全身麻醉(general anesthesia)和浅睡时都出现了,这表明它们是大脑功能的一个重要方面,而不仅仅只是噪声。

这项研究之后,DMN只负责全部内在活动的一部分(虽然是关键部分)的观点,以及大脑功能的默认模型可以扩展到所有大脑系统的观点变得愈加清晰。在我们实验室,一个广泛的默认模式的发现来自于对被称为缓慢皮层电位(SCPs)的大脑电活动的首次测试研究,在这个研究中多组神经元大约每10秒激活一次。我们的研究确定在BOLD信号中观察到的同步波动与SCPs是相同的:也就是说是不同测查方法检测到的相同活动。

然后我们继续考察SCPs的作用,因为它们与其他神经电信号相关。像伯杰第一次发现以及此后被无数其他研究所证实的一样,大脑信号包含一个范围广阔的频率谱,从低频SCPs到超过100个周期每秒的高频活动。神经科学领域最大的挑战之一正是理解不同的频率信号如何相互作用。

这表明SCPs扮演着一个很有影响力的角色。我们自己的研究和其他人的研究都表明高于SCPs的频率的电活动与SCPs的振动(或者说相位)同步。像赫尔辛基大学(University ofHelsinki)的马蒂亚斯·帕尔瓦(MatiasPalva)以及他的同事最近发现的那样,一个SCP的上升阶段产生了其他频率下的信号活动的增加。

交响乐团为此提供了一个易于理解的比喻,因为协调如平毯的声音来自于演奏相同韵律的不同乐器。SCPs就相当于乐队指挥的指挥棒。并非为了让众多乐器的齐鸣合拍,而是这些信号协调每个大脑系统所要求的大型记忆仓库以及其他在复杂、时刻改变的世界生存所必需的信息的开启时间。SCPs确保正确的计算能够以一种协调的方式确切地在正确的时刻发生。

但是大脑远比一个交响乐团复杂。每个特定的大脑系统——一个控制视觉活动,另一个促动肌肉——都显现出各自特有的SCPs模式。而混乱被避免了,因为所有的系统并非被创造的地位等同。一些大脑脑区的电信号优先于另一些脑区。在这等级的顶端是DMN,它扮演着超级指挥的角色以确保一个系统中相互竞争的信号产生的“杂音”不干扰其他系统中的“杂音”。这种组织结构并不奇怪,因为大脑并非一个各种独立系统混战的战场而是相互依存的系统的联盟。

同时,这个错综复杂的内在活动必须有时候让路给外部世界的要求。为了达到这种适应,由于新异的或者出乎意料的感觉输入使得需要开始警觉时,DMN中的缓慢皮层电位(SCPs)必须减少:比如你突然意识到你承诺过下班开车回家的路上带回一盒牛奶。一旦需要专注的要求减弱时,内在SCP的信息传递就开始恢复。大脑一直在与这些要求搏斗,以平衡计划好的反应和当前时刻的要求。

意识与疾病

DMN的上下起伏可能能够为一些大脑中深埋已久的谜团提供深刻的见解。它已为科学家提供了十分吸引人的见解来洞察注意的本质,注意是有意识活动的一个基本构成部分。在2008年一个跨国研究者组成的团队报告,通过观察DMN他们能够提前30秒预测到扫描仪中的一个被试在计算机任务中将会犯错。在那时,如果默认模式被借用而且参与保持专注的脑区活动减弱的话,那么就会发生错误。

而且在未来几年,大脑的暗能量可能为意识的本质提供线索。正如大多数神经科学家所公认的那样,我们的意识与外部世界的相互作用只是大脑活动一个很小的部分。意识水平以下将会发生什么——比如,大脑的暗能量——对于为回答在狭小的意识窗口里经历了什么这样的问题提供背景显得尤为关键。

除了提供我们一睹构成每天经历的幕后事件的可能之外,大脑暗能量的研究可能为理解主要的神经学疾病提供新的线索。心理体操或者错综复杂的运动对于达成锻炼的目的可能变得不再必要。一名被试只需要在扫描仪内保持不动,DMN和其他暗能量的中心就将以自己的节奏默默地飞奔而过。

这类研究已经为疾病带来了新的福音。脑成像研究已经发现患有老年痴呆症、抑郁症、自闭症(autism)甚至精神分裂症的病人的DMN区域中大脑细胞间的连接发生了变异。实际上,老年痴呆症可能有一天会被归为一种DMN疾病。受老年痴呆症影响的大脑区域的投射图与组成DMN的脑区的投射图很好地吻合了。这种模式可能不仅仅只是充当诊断的生物学标记,而且也可能为考察这些疾病的成因和治疗策略提供更深的见解。

展望未来,研究者们必须从现在开始尝试慢慢收集回答以下问题的证据。比如,在大脑系统内和系统间协调一致的活动如何在单个细胞水平上运作,以及DMN如何生成可在不同大脑回路间传递的化学和电信号?然后将需要新理论来整合细胞水平、大脑回路水平和整个神经系统水平的数据,以为大脑的默认功能模式如何扮演自己暗能量的主要组织者的角色描绘更斑斓壮阔的图景。随着时间的推移,神经暗能量可能最终被认为是我们行事动机的关键。

主要概念

■     神经科学家长期认为当一个人处于休息状态时,其大脑回路是关闭的。

■     然而,大脑成像实验已表明(当人处于休息状态时)大脑的背景活动,仍然存在一种持续不断的激活水平。

■     这个默认模式,正如其名(默认的),可能在计划未来的行动时起着至关重要的作用。

■     参入默认模式的大脑脑区的错接(Miswiring)可能导致各种疾病,从老年痴呆症(Alzheimer,也译着阿尔茨海默病)到精神分裂症(schizophrenia)

附:[作者简介]

马库斯·赖希勒(MarcusE. Raichle)是华盛顿大学圣路易斯分校医学院(the Washington University School of Medicine in St.Louis)放射学和神经病学教授。多年以来,赖希勒领导了一个致力于通过PET和fMRI研究人类大脑功能的团队。他于1992年被选进医学研究所(Instituteof Medicine),1996年被选进美国国家科学院(National Academy of Sciences)。

本文译自/scientificamerican  译/newkiwi    译言供网易探索独家稿件 未经许可请勿转载。

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