大腦暗能量
- 1. 文字取材 : 馬庫斯 .E. 雷切爾 (Marcus E. Raichle) 翻譯 : 馮澤君
- 3. 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,大腦並未關著,很多重要的神經活動仍在進行。 現已証實,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,各個腦區之間仍灰不停地傳遞訊息。這種不間斷的訊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。
- 4. 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 ) ,可能就是採用默認模式神經網絡預先設定好方式。
- 5. 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,都處於合理的『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,那麼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鬱症的一系列複雜大腦疾病。
- 8. 儘管這些技術都不單限於測量大腦活動,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,神經科學家都會想設法地確定,產生特定知覺或與某種行為相關的是那些腦區。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,那些腦區對『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。
- 10. 人們在休息或發呆時,大腦裡面到底發生了什麼 ? 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察,就能找到大腦背景活動存在的証據 : 無論來自對照組還是試驗組,大腦成像圖總是顯示,多個腦區都處於相當忙碌的狀態。由於都存在背景『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。
- 15. 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於休息時的基準水平。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 ( 位於大腦中部,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) 此後的一系列正電子斷層掃描實驗証實,大腦在無意識狀態下絕非處於『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。
- 18. 功能性磁共振訊號通常是指血氣水平依賴 (blood oxygen level - dependent, BOLD) 訊號,因為這種成像方式依賴於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訊號會緩慢波動,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』訊號會直接從大腦成像圖中消除。
- 19. 到了 1995 年,從大腦成像圖上消除低頻『噪聲』訊號的做法受到了質疑 - 當時,美國威斯康星醫學院的巴拉特 . 比斯漢爾 (Bharat Biswal) 和同事發現,即使受試者靜止不動,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,當受試者處於休息狀態時,默認模式神經網絡中也存在類似的同步波動。
- 29. 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訊號在神經回路間傳遞。我們還需要一個新理論,用於整合來自細胞、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,弄清楚它到底有那些生理功能。