大腦暗能量
最新研究顛覆了我們對大腦的一貫看法：當我們休息或發呆時，大腦并未停止運行，一些神秘的“背景”神經活動始終存在。
大腦的默認模式
● 神經科學家長期認為，當我們休息時，大腦中的神經回路處于關閉狀態。
●然而，大腦成像實驗表明，大腦內存在一些持續的“背景活動”。
●這種默認模式能為人們對未來事件作出反應做好準備。
●默認模式相關大腦區域間的神經鏈接出錯，可能導致從阿爾茨海默病到抑郁癥的一系列疾病。
撰文 馬庫斯·E·雷切爾(Marcus E. Raichle)
翻譯 馮澤君
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”。但最近的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(比如感覺到蒼蠅停在胳膊上就下意識地去拍打，這個動作就需要大腦的運動系統隨時做好準備)，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(electroencephalogram，記錄大腦電活動的波形圖)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(positron-emission tomography，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(magnetic resonance imaging，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。如果研究人員想要知道，哪些腦區對“讀單詞”這一行為比較重要，他們就會比較在大聲讀單詞 (試驗組)和默默地看同一組單詞(對照組)時，受試者的大腦成像圖有何差異。為了準確找出這種差異，研究人員必須從讀單詞受試者的大腦成像圖上，消除看單詞受試者大腦成像圖上的內容。經過處理，成像圖上仍顯示為活躍狀態的腦區的神經元活動，可能就是讀單詞這一行為所必需的。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？過去幾年，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。
只須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——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。
馬庫斯·E·雷切爾是美國華盛頓大學圣路易斯分校醫學院的放射學和神經病學教授。多年來，他帶領的研究小組一直通過正電子斷層掃描和功能性磁共振成像技術研究人腦功能。 1992年，他入選美國醫學院院士，4年后又成為美國科學院院士。
本文譯者：
馮澤君，上海復旦大學神經生物學博士，主要從事大腦功能相關研究，長期翻譯科技類文章，已在《環球科學》雜志上發表多篇譯文。
