當(dāng)你發(fā)呆時大腦在做什么

馮澤君

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

曾不為人知的大腦系統(tǒng)——默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

長期以來，神經(jīng)科學(xué)家一直認(rèn)為，人在休息時，大腦中的神經(jīng)回路基本處于關(guān)閉狀態(tài)，此時的神經(jīng)活動屬于“隨機(jī)噪聲”，就像沒收到信號的電視機(jī)顯示的雪花狀圖案。

現(xiàn)已證實，當(dāng)我們坐在椅子上發(fā)呆、躺在床上睡覺或接受了麻醉，各個腦區(qū)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(rèn)模式，它所消耗的能量是我們有意識地對其他外在刺激作出反應(yīng)時所耗能量的20倍。實際上，我們有意識地去吃飯或演講等，都是對大腦默認(rèn)模式下基準(zhǔn)神經(jīng)活動的背離。

理解大腦默認(rèn)模式的關(guān)鍵，是要找到此前不為人知的大腦系統(tǒng)——默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在組織神經(jīng)活動的過程中，默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到底發(fā)揮了怎樣的作用，現(xiàn)在仍在研究當(dāng)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(zhǔn)備的神經(jīng)系統(tǒng)時，可能就是采用默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)先設(shè)定好的方式。

在使腦區(qū)行為同步方面，默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能也發(fā)揮了重要作用——讓各個腦區(qū)就像賽跑運動員一樣，在發(fā)令槍打響的一剎那都處于合理的“預(yù)備”狀態(tài)。另外神經(jīng)科學(xué)家還推測，默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遭到破壞，可能會引起精神錯亂，以及從阿爾茨海默癥到抑郁癥的一系列復(fù)雜大腦疾病。

尋找大腦的暗能量

“大腦始終處于活躍狀態(tài)”并非新觀點，腦電圖的發(fā)明者漢斯·伯格就是這個觀點的支持者。他在一系列開創(chuàng)性論文中，根據(jù)儀器檢測到的不間斷腦電波推測，“中樞神經(jīng)系統(tǒng)始終處于相當(dāng)活躍的狀態(tài)，而不僅僅是在人們清醒的時候”。

只需對大腦成像圖進(jìn)行肉眼觀測，就能找到大腦背景活動存在的證據(jù)：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(qū)都處于相當(dāng)忙碌的狀態(tài)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行特定任務(wù)時，大腦消耗能量的上升幅度不會超過基礎(chǔ)神經(jīng)活動的5%。在神經(jīng)回路中，大部分神經(jīng)活動都與外部事件無關(guān)，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(xué)家的說法，把這些固定存在的神經(jīng)活動稱為大腦的暗能量。

推測大腦暗能量可能存在的另一個理由是，研究發(fā)現(xiàn)只有極少的感官信息能夠真正抵達(dá)大腦的中樞處理區(qū)域。視覺信息從眼睛傳向視覺皮層的過程中，信號強(qiáng)度會大幅衰減。

我們周圍存在無數(shù)信息，每秒約有上百億比特的信息抵達(dá)視網(wǎng)膜，但與之相連的視覺輸出神經(jīng)連接只有100萬個，每秒鐘視網(wǎng)膜傳向大腦的信息只有600萬比特，最終能到達(dá)視覺皮層的信息只有1萬比特。

經(jīng)過進(jìn)一步處理，視覺信息才能進(jìn)入負(fù)責(zé)產(chǎn)生意識知覺的腦區(qū)。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(jīng)活動必定在此過程中發(fā)揮了某種作用。

借助暗能量探索意識本質(zhì)，審視重大神經(jīng)疾病

默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)起伏，讓我們有機(jī)會窺探大腦最深處的秘密。它已經(jīng)讓科學(xué)家對意識活動的基本組成——注意力的本質(zhì)有了新的認(rèn)識。

2008年，一個跨國研究小組報道稱，通過監(jiān)測默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，他們可以提前30秒預(yù)測接受掃描的受試者會不會在一個計算機(jī)測試中犯錯——如果默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制了大腦，注意力相關(guān)腦區(qū)的神經(jīng)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(guān)意識本質(zhì)的線索。大多數(shù)神經(jīng)科學(xué)家承認(rèn)，我們對外界的意識反應(yīng)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(guān)鍵的作用，正是因為它們提供了非常豐富的背景內(nèi)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(jī)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(jīng)疾病。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(jīng)發(fā)現(xiàn)，在阿爾茨海默癥、抑郁癥、自閉癥和精神分裂癥患者的默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，腦細(xì)胞之間的連接已發(fā)生改變。在大腦成像圖上，阿爾茨海默癥患者的病變腦區(qū)與組成默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腦區(qū)完全吻合。這一模式不僅可作為診斷阿爾茨海默癥的生物學(xué)標(biāo)志，還有助于我們深入了解疾病成因，尋找治療方法。

（張秋偉摘自《北京青年報》2019年8月23日）