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  • 當你發呆時,大腦在做什么?

    字體大小: 麥琪 發表于 2019-06-18 09:17  評論0條  閱讀30237次 

      “我的腦子一片空白”、“大腦停止了轉動”,如果你還在用這樣的語言形容自己發呆時的情形,那就大錯特錯了:神經成像研究發現,當我們休息或發呆時,大腦中始終存在著一些神秘的“背景”神經活動。更讓人驚訝的是,當我們有意識做事時,大腦耗能量卻僅為“背景活動”的 1/20。這些看不見的神經活動,就是“大腦暗能量”。

     
      你躺在屋外的搖椅上打盹兒,腿上放著一本雜志。突然,一只蒼蠅停在胳膊上,你拿起雜志去拍它。在蒼蠅停在你身上之后,你的大腦里發生了什么?在停下來之前呢?長期以來,神經科學家一直認為,人在休息時,大腦中的神經回路基本處于關閉狀態。從這個意義上說,此時的神經活動屬于“隨機噪聲”,就像沒收到信號的電視機顯示的雪花狀圖案。而當蒼蠅停在你的胳膊上時,大腦恢復意識,準備執行“拍蠅任務”。但神經成像研究揭示了一個完全不一樣的事實:當人們躺著休息時,大腦并未閑著,很多重要的神經活動仍在進行。
     
      現已證實,當我們的大腦在休息時——比如坐在椅子上發呆、躺在床上睡覺,或接受了麻醉,各個腦區之間仍在不停地傳遞信息。這種不間斷的信息傳遞被稱作大腦的默認模式,它所消耗的能量是我們拍打蒼蠅,或有意識地對其他外在刺激作出反應時所耗能量的 20 倍。實際上,我們有意識去做的大多數事件,比如吃飯和演講等,都是對大腦默認模式下基準神經活動的背離。
     
      理解大腦默認模式的關鍵,是要找到此前不為人知的大腦系統——默認模式神經網絡(default mode network,DMN)。在組織神經活動的過程中,默認模式神經網絡到底發揮了怎樣的作用,現在仍在研究當中,但我們知道,大腦在形成記憶,組織其他各種需要為未來事件做準備的神經系統時,可能就是采用默認模式神經網絡預先設定好的方式。
     
      在使腦區行為同步方面,默認模式神經網絡可能也發揮了重要作用——讓各個腦區就像賽跑運動員一樣,在發令槍打響的那一剎那,都處于合理的“預備”狀態。如果默認模式神經網絡確實在為大腦的有意識活動做準備,那么研究這個網絡的行為,也許能讓科學家找到一些線索,揭示意識體驗的本質。另外,神經科學家還推測,默認模式神經網絡遭到破壞,可能會引起精神錯亂,以及從阿爾茨海默病到抑郁癥的一系列復雜大腦疾病。
     
      尋找暗能量
     
      “大腦始終處于活躍狀態”并非新觀點。腦電圖的發明者漢斯·伯格(Hans Berger)就是這個觀點的支持者。1929 年,他在一系列開創性論文中,根據儀器檢測到的不間斷腦電波推測,“中樞神經系統始終處于相當活躍的狀態,而不僅僅是在人們清醒的時候”。
     
      但伯格關于大腦如何工作的觀點一直沒有引起科學界的重視,甚至在非侵害性成像技術成為神經科學實驗室的常規手段后仍是如此。上世紀 70 年代末,正電子斷層掃描技術(PET)問世,它可以測量大腦中的葡萄糖代謝率、血流量和氧攝取量,在一定程度上,這些指標能反映大腦的神經活動水平;1992 年,功能性磁共振成像技術(fMRI)誕生,通過測量大腦耗氧量,它也能幫助科學家實現同樣的目的。盡管這些技術都不僅限于測量大腦活動,但大多數實驗設計都在無意間給人留下了這樣一個印象:大部分腦區平常都很“安靜”,直到需要執行某項具體任務時才會活躍起來。
     
      一般來說,在做成像實驗時,神經科學家都會想方設法地確定,產生特定知覺或與某種行為相關的是哪些腦區。而找到這些腦區的最好方式,就是在兩種相關狀態下,直接比較大腦活動有何不同。為此,研究者需要消除對照組大腦成像圖上的內容。在這種情況下,大腦的基本活動,也就是始終存在的“背景”神經活動都會被消除。以這種方式得到的實驗結果很容易讓人認為,只有在執行特定任務時,大腦的“開關”才被打開,而在其他時候,大腦都處于非活躍狀態。
     
      人們在休息或發呆時,大腦里面到底發生了什么?本世紀初,我們和其他一些研究小組對這個問題產生了極大的興趣,因為多項研究都暗示,在這種狀態下,大腦中存在一定程度的背景活動。
     
      只需對大腦成像圖進行肉眼觀測,就能找到大腦背景活動存在的證據:無論來自對照組還是試驗組,大腦成像圖總是顯示,多個腦區都處于相當忙碌的狀態。由于都存在背景“噪聲”,通過肉眼觀察原始圖像,我們幾乎不可能從兩類大腦成像圖上找出差別,而要完成這一任務,只有利用計算機進行精密的圖片分析。
     
      進一步分析發現,在執行特定任務時,大腦消耗能量的上升幅度不會超過基礎神經活動的 5%。在神經回路中,大部分神經活動都與外部事件無關,這些活動消耗的能量占大腦總消耗能量的 60%~80%。因此我們借鑒天文學家的說法,把這些固定存在的神經活動稱為大腦的暗能量——正如看不見的暗能量占據了宇宙中物質能量的絕大多數。
     
      我們推測大腦暗能量可能存在的另一個理由是,研究發現只有極少的感官信息能夠真正抵達大腦的中樞處理區域。視覺信息從眼睛傳向視覺皮層的過程中,信號強度會大幅衰減。
     
      我們周圍存在無數信息,每秒約有上百億比特的信息抵達視網膜,但與之相連的視覺輸出神經連接只有 100 萬個,每秒鐘視網膜傳向大腦的信息只有 600 萬比特,最終能到達視覺皮層的信息只有 1 萬比特。
     
      經過進一步處理,視覺信息才能進入負責產生意識知覺的腦區。令人驚訝的是,最終形成意識知覺的信息每秒鐘不足 100 比特。如果這些是大腦所能利用的全部信息,如此少的信息量顯然不大可能形成知覺,因此固定存在的大腦神經活動必定在此過程中發揮了某種作用。
     
      神經突觸的數量也暗示大腦暗能量可能存在。突觸是神經元間的連接點。在視覺皮層中,負責傳遞視覺信息的突觸數量還不到全部突觸的 10%。因此,大部分突觸肯定是用于建立視覺皮層內部神經元間的聯系。
     
      探索大腦默認模式
     
      上述與大腦內部活動相關的線索已得到證實,但這些內部活動的生理功能以及它們如何影響知覺和行為,仍須進一步研究。幸運的是,在正電子斷層掃描研究中,一個偶然而又令人困惑的發現,把我們推上了大腦默認模式神經網絡的探索之旅。這一發現后來還得到了功能性磁共振成像的證實。
     
      上世紀 90 年代中期,我們意外發現,受試者執行某種任務時,特定腦區的活躍程度會低于休息時的基準水平。當其他腦區執行特定任務(如大聲朗讀)時,這些腦區的活躍程度也會下降,尤其是內側頂葉皮層(位于大腦中部,負責記憶人們生活中的私人事件)上的部分區域。這是一個讓人費解的現象,我們把活躍程度下降最多的區域稱為“內側謎樣頂葉區”(medial mysteryparietal area,簡稱 MMPA)。
     
      此后的一系列正電子斷層掃描實驗證實,大腦在無意識狀態下絕非處于“閑置狀態”。實際上,包括內側謎樣頂葉區在內的大多數腦區一直都很活躍,直到大腦開始執行某一特定任務時,一些腦區固有的神經活動水平才會有所下降。最初,我們的研究曾遭到質疑。1998 年,我們的一篇相關論文甚至被退稿,因為一位審稿專家指出,我們得出神經活動水平下降的結論可能源于實驗數據有誤。不過,其他科學家在針對內側頂葉皮層和內側前葉皮層(負責推測他人想法,并與自身情緒狀態有關)的研究中,也得出了與我們一致的結果。現在,這兩個腦區都被認為是默認模式神經網絡的重要組成區域。
     
      默認模式神經網絡的發現,讓我們可以從另一個角度思考大腦的固有神經活動。在此之前,神經生理學家從未把組成神經網絡的腦區看作是一個系統,因為在過去的大腦成像實驗中,他們都忽略了這樣一個現象:大腦在休息狀態下,多個腦區之間可能都有相互聯系。那么,是否只有默認模式神經網絡中,腦區之間才有這種相互聯系?還是說這種休息狀態下的神經聯系在大腦里普遍存在?在分析大腦磁共振成像圖時,一個驚人的發現把我們帶到了通往問題答案的路口。
     
      功能性磁共振信號通常是指血氧水平依賴信號,因為這種成像方式依賴于大腦血管血流改變引起的氧含量變化。在靜息狀態下,各個腦區的血氧水平依賴信號會緩慢波動,大約每 10 秒完成一個周期。如此緩慢的波動曾被認為只不過是“噪聲”,因此為了更好地反映執行特定任務時的大腦活動,儀器檢測到的這些“噪聲”信號會直接從大腦成像圖中消除。
     
      到了 1995 年,從大腦成像圖上消除低頻“噪聲”信號的做法受到了質疑——當時,美國威斯康星醫學院的巴拉特·比斯沃爾(Bharat Biswal)和同事發現,即便受試者靜止不動,控制右手運動的腦區中的“噪聲”波動,也與對側控制左手的腦區中的神經活動是同步的。本世紀初,美國斯坦福大學的邁克爾·格雷丘斯(Michael Greicius)和合作者發現,當受試者處于休息狀態時,默認模式神經網絡中也存在類似的同步波動。
     
      由于科學家對默認模式神經網絡在大腦中的作用越來越感興趣,格雷丘斯等人的發現猶如一顆投向湖面的石子,引起了全球實驗室(包括我們實驗室)的注意,科學家紛紛開始進行大腦成像研究,所有的“噪聲”信號(即重要大腦系統的固有神經活動)都被記錄下來。結果發現,即使在全身麻醉和淺度睡眠期間,受試者大腦內的固有神經活動都會表現出明顯的同步性,暗示這些神經活動不單單是“噪聲”,而應該是大腦運行方式的某個基礎方面。
     
      上述發現清楚地說明,盡管默認模式神經網絡的作用很重要,但它只是大腦固有神經活動的一部分,大腦中所有系統都具有這樣的默認模式。在我們實驗室,默認模式在大腦中廣泛存在的現象,是我們首次測定名為皮層慢電位的大腦電活動時發現的,而這種慢電位的形成,源于神經元群每 10 秒放一次電。我們的研究證明,血氧水平依賴信號與皮層慢電位的波動周期恰好吻合,換句話說,兩種不同的實驗方法都檢測到了同一種大腦活動。
     
      接下來,我們開始研究皮層慢電位與其他神經電信號建立聯系有何作用。正如伯格首次提出,后來得到無數科學家證實的那樣,大腦信號的頻率范圍很廣,從低頻的皮層慢電位到每秒波動超過100次的信號都有。神經科學面臨的一個重大挑戰,就是弄清楚不同頻率的信號如何發生相互作用。
     
      研究證實,皮層慢電位具有非常重要的作用。我們和其他科學家的研究都表明,頻率高于皮層慢電位的電活動可以和皮層慢電位發生同步振動。
     
      這就像演奏交響樂一樣,各種樂器發出的聲音都按同一節奏交織在一起,而皮層慢電位就是指揮家手中的指揮棒。不同的是,演奏交響樂只要掌握好各種樂器的發聲時間即可,神經信號則須協調每個大腦系統從海量的記憶和其他信息中讀取所需數據——這些信息都是我們在這個復雜且不斷變化的世界上生存所必需的。皮層慢電位的存在,能保證數據讀取過程在和諧的環境下和準確的時間點上正確進行。
     
      但大腦要比交響樂團復雜得多。每個具有獨立功能的大腦系統,比如控制視覺活動和控制肌肉運動的系統,都有自己的皮層慢電位發放模式。由于每個系統都不相同,因此有效地避免了混亂。各個系統的電信號發放也有先后之分,排在最前面的,就是默認模式神經網絡,它就像一個總指揮,保證各個系統發出的電信號不會相互干擾。大腦具有這種組織方式并不奇怪,因為大腦并非相互獨立的神經系統集群,而是由各個相互聯系的系統組成的聯盟。
     
      與此同時,這些復雜的固有神經活動有時必須給外界需求讓步。為了實現這種調節,當我們由于新的或意外的感覺信息輸入大腦(比如開車回家的路上,突然記起要買盒牛奶回去)而需要保持警覺時,默認模式神經網絡的皮層慢電位會有所減弱。但在需要集中精力處理的事情做完以后,皮層慢電位又會恢復至原有水平。我們的大腦每時每刻都在努力維持既定反應和即時需求反應之間的動態平衡。
     
      意識和疾病
     
      默認模式神經網絡的狀態起伏,讓我們有機會窺探大腦最深處的秘密。它已經讓科學家對意識活動的基本組成——注意力的本質有了新的認識。2008 年,一個跨國研究小組報道稱,通過監測默認模式神經網絡,他們可以提前 30 秒預測接受掃描的受試者會不會在一個計算機測試中犯錯——如果默認模式神經網絡控制了大腦,注意力相關腦區的神經活動減弱,受試者就會犯錯。
     
      未來,大腦暗能量或許會提供有關意識本質的線索。大多數神經科學家承認,我們對外界的意識反應只占大腦活動的一小部分。在意識層面之下,那些神秘的大腦活動(如大腦暗能量)起著非常關鍵的作用,正是因為它們提供了非常豐富的背景內容,我們才能透過“狹小”的意識窗口體驗到大千世界的存在。
     
      除了揭示日常意識活動背后的大腦機制,研究大腦暗能量或許還能為我們提供一個全新的角度去審視重大神經疾病。將來,不必進行頭腦體操或復雜運動就可以完成這些疾病的診斷。病人只需要靜靜地呆在掃描儀內,讓默認模式神經網絡和其他腦區的暗能量按自己的節奏運行即可。
     
      這類研究已為疾病分析開拓了新的思路。大腦成像研究已經發現,在阿爾茨海默病、抑郁癥、自閉癥和精神分裂癥患者的默認模式神經網絡內,腦細胞之間的連接已發生改變。實際上,阿爾茨海默病將來可能被歸為默認模式神經網絡相關疾病。在大腦成像圖上,阿爾茨海默病患者的病變腦區與組成默認模式神經網絡的腦區完全吻合。這一模式不僅可作為診斷阿爾茨海默病的生物學標志,還有助于我們深入了解疾病成因,尋找治療方法。
     
      未來,科學家必須要弄清楚兩個問題:在細胞水平上,各個大腦系統內部及其之間的協作性神經活動如何實現;默認模式神經網絡如何促使化學和電信號在神經回路間傳遞。我們還需要一個新理論,用于整合來自細胞、神經回路、神經系統等各層面的數據,從而更全面地描述作為大腦暗能量主要組織者的大腦默認模式究竟如何工作。隨著時間的流逝,我們將完全揭示大腦暗能量的本質,弄清楚它到底有哪些生理功能。
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    麥琪

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