有意识地做事时 大脑所耗能量仅为发呆时的1/20

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  “我的脑子一片空白”、“大脑停止了转动”,由于分析你还在用另1个 的语言形容其他人发呆时的清况 ,那就大错特错了:神经成像研究发现,当亲们休息或发呆时,大脑中始终处在着其他神秘的“背景”神经活动。更我就惊讶的是,当亲们有意识地做事时,大脑所耗能量却仅为“背景活动”的1/20。那些看不见的神经活动,本来“大脑暗能量”。

  曾不为人知的大脑系统——默认模式神经网络

  长期以来,神经科学家总爱认为,人在休息时,大脑中的神经回路基本处在关闭清况 ,此时的神经活动属于“随机噪声”,就像没收到信号的电视机显示的雪花状图案。

  现已证实,当亲们坐在椅子上发呆、躺在床上睡觉或接受了麻醉,各个脑区之间仍在不停地传递信息。你这个不间断的信息传递被称作大脑的默认模式,它所消耗的能量是亲们有意识地对其他外在刺激作出反应时所耗能量的20倍。实际上,亲们有意识去吃饭或演讲等,全是 对大脑默认模式下基准神经活动的背离。

  理解大脑默认模式的关键,是要找到此前不为人知的大脑系统——默认模式神经网络。在组织神经活动的过程中,默认模式神经网络到底发挥了如可的作用,现在仍在研究当中,但亲们知道,大脑在形成记忆、组织其他各种还要为未来事件做准备的神经系统时,由于分析本来采用默认模式神经网络预先设定好的措施。

  在使脑区行为同步方面,默认模式神经网络由于分析也发挥了重要作用——让各个脑区就像赛跑运动员一样,在发令枪打响的一刹那都处在合理的“预备党员”清况 。另外神经科学家还推测,默认模式神经网络遭到破坏,由于分析会引起精神错乱,以及从阿尔茨海默症到抑郁症的一系列多样化大脑疾病。

  寻找大脑的暗能量

  “大脑始终处在活跃清况 ”有你这个新观点,脑电图的造出汉斯·伯格本来你这个观点的支持者。他在一系列开创性论文中,根据仪器检测到的不间断脑电波推测,“中枢神经系统始终处在相当活跃的清况 ,而不仅仅是在亲们清醒的之前 ”。

  只需对大脑成像图进行肉眼观测,就能找到大脑背景活动处在的证据:无论来自对照组还是试验组,大脑成像图总爱显示,多个脑区都处在相当忙碌的清况 。进一步分析发现,在执行特定任务时,大脑消耗能量的上升幅度不要超过基础神经活动的5%。在神经回路中,大部分神经活动都与结构事件无关,那些活动消耗的能量占大脑总消耗能量的60 %~60 %。之前 亲们借鉴天文学家的说法,把那些固定处在的神经活动称为大脑的暗能量——正如看不见的暗能量处在了宇宙中物质能量的绝大多数。

  推测大脑暗能量由于分析处在的另1个 理由是,研究发现必须极少的感官信息才能真正抵达大脑的中枢避免区域。视觉信息从眼睛传向视觉表皮的过程中,信号数率会大幅衰减。

  亲们互近处在无数信息,每秒约有上百亿比特的信息抵达视网膜,但与之相连的视觉输出神经连接必须60 万个,每秒钟视网膜传向大脑的信息必须60 0万比特,最终能到达视觉表皮的信息必须1万比特。

  经过进一步避免,视觉信息才能进入负责产生意识知觉的脑区。令人惊讶的是,最终形成意识知觉的信息每秒钟处在问题60 比特。由于分析那些是大脑所能利用的完正信息,必须 少的信息量显然不大由于分析形成知觉,之前 固定处在的大脑神经活动必定在此过程中发挥了有你这个作用。

  神经突触的数量也暗示大脑暗能量由于分析处在。突触是神经元间的连接点。在视觉表皮中,负责传递视觉信息的突触数量还必须完正突触的10%。之前 ,大部分突触肯定是用于建立视觉皮下结构神经元间的联系。

  默认模式是大脑运行措施的某个基础方面

  上世纪90年代中期,亲们意外发现,受试者执行有你这个任务时,特定脑区的活跃程度会低于休息时的基准水平。当其他脑区执行特定任务(如大声朗读)时,那些脑区的活跃程度也会下降,尤其是内侧顶叶表皮(处在大脑中部,负责记忆亲们生活中的私人事件)上的部分区域。这是另1个 我就费解的问题报告 报告 ,亲们把活跃程度下降最多的区域称为“内侧谜样顶叶区”。

  此后的一系列正电子断层扫描实验证实,大脑在无意识清况 下绝非处在“闲置清况 ”。实际上,包括内侧谜样顶叶区在内的大多数脑区总爱都很活跃,直到大脑开始英文了了执行某一特定任务时,其他脑区固有的神经活动水平才会有所下降。

  最初,另1个 的结论曾遭到质疑,被认为实验数据有误。但之前 其他科学家在针对内侧顶叶表皮和内侧前叶表皮(负责推测他人想法,并与自身情绪清况 有关)的研究中,也得出了一致的结果。现在,这另1个 脑区都被认为是默认模式神经网络的重要组成区域。

  默认模式神经网络的发现,不要们能必须从另1个 角度思考大脑的固有神经活动。在此之前 ,神经生理学家从未把组成神经网络的脑区看作是另1个 系统,由于分析在过去的大脑成像实验中,亲们都忽略了另1个 另1个 问题报告 报告 :大脑在休息清况 下,多个脑区之间由于分析全是 相互联系。必须 ,是是是否是是必须默认模式神经网络中,脑区之间才有你这个相互联系?还是说你这个休息清况 下的神经联系在大脑里普遍处在?在分析大脑磁共振成像图时,另1个 惊人的发现把亲们带到了通往问题报告 报告 答案的路口。

  功能性磁共振信号通常是指血氧水平依赖信号,由于分析你这个成像措施依赖于大脑血管血流改变引起的氧含量变化。在静息清况 下,各个脑区的血氧水平依赖信号会缓慢波动,合适每10秒完成另1个 周期。必须 缓慢的波动曾被认为只不过是“噪声”,之前 为了更好地反映执行特定任务时的大脑活动,仪器检测到的那些“噪声”信号会直接从大脑成像图中消除。

  到了1995年,从大脑成像图上消除低频“噪声”信号的做法受到了质疑——当时,美国威斯康星医学院的巴拉特·比斯沃尔和同事发现,即便受试者静止不动,控制右手运动的脑区中的“噪声”波动也与对侧控制左手的脑区中的神经活动是同步的。本世纪初,美国斯坦福大学的迈克尔·格雷丘斯和合作协议发现,当受试者处在休息清况 时,默认模式神经网络中也处在之类的同步波动。

  格雷丘斯等人的发现犹如一颗投向湖面的石子,引起了全球实验室的注意,科学家纷纷开始英文了了进行大脑成像研究,所有的“噪声”信号(即重要大脑系统的固有神经活动)都被记录下来。结果发现,即使在全身麻醉和浅度睡眠期间,受试者大脑内的固有神经活动全是表现出明显的同步性,暗示那些神经活动不单单是“噪声”,而应该是大脑运行措施的某个基础方面。

  上述发现清楚地说明,尽管默认模式神经网络的作用有点儿要,但它本来大脑固有神经活动的一部分,大脑中所有系统都具有另1个 的默认模式。

  大脑每时每刻全是 努力维持既定反应和即还要求反应之间的动态平衡

  经证实,大脑信号的频率范围很广,从低频的表皮慢电位到每秒波动超过60 次的信号全是 。神经科学面临的另1个 重大挑战,本来弄清楚不同频率的信号如可处在相互作用。

  研究证实,表皮慢电位具有非常重要的作用,频率高于表皮慢电位的电活动能必须和表皮慢电位处在同步振动。这就像演奏交响乐一样,各种乐器发出的声音都按同一节奏交织在共同,而表皮慢电位本来指挥家转过身的指挥棒。不同的是,演奏交响乐假如有一天掌握好各种乐器的发声时间即可,神经信号则须协调每个大脑系统从海量的记忆和其他信息中读取所需数据——那些信息全是 亲们在你这个多样化且不断变化的世界上生存所必需的。表皮慢电位的处在,能保证数据读取过程在和谐的环境下和准确的时间点上正确进行。

  但大脑要比交响乐团多样化得多。每个具有独立功能的大脑系统,比如控制视觉活动和控制肌肉运动的系统,全是 其他人的表皮慢电位发放模式。由于分析每个系统全是 相同,之前 有效地避免了混乱。各个系统的电信号发放全是 先后之分,排在最前面的,本来默认模式神经网络,它就像另1个 总指挥,保证各个系统发出的电信号不要相互干扰,由于分析大脑有你这个相互独立的神经系统集群,本来由各个相互联系的系统组成的联盟。

  与此共同,那些多样化的固有神经活动有时还要给外界需求让步。为了实现你这个调节,当亲们由于分析新的或意外的感觉信息输入大脑(比如开车回家的路上总爱记起要买盒牛奶回去)而还要保持警觉时,默认模式神经网络的表皮慢电位会有所减弱。但在还要集中精力避免的事情做完之前 ,表皮慢电位又会恢复至原有水平。亲们的大脑每时每刻全是 努力维持既定反应和即还要求反应之间的动态平衡。

  借助暗能量探索意识本质,审视重大神经疾病

  默认模式神经网络的清况 起伏,不要们有由于分析窥探大脑最深处的秘密。它由于分析让科学家对意识活动的基本组成——注意力的本质有了新的认识。60 8年,另1个 跨国研究小组报道称,通过监测默认模式神经网络,亲们能必须提前60 秒预测接受扫描的受试者会不要在另1个 计算机测试中犯错——由于分析默认模式神经网络控制了大脑,注意力相关脑区的神经活动减弱,受试者就会犯错。

  未来,大脑暗能量或许会提供有关意识本质的线索。大多数神经科学家承认,亲们对外界的意识反应只占大脑活动的一小部分。在意识层面之下,那些神秘的大脑活动(如大脑暗能量)起着非常关键的作用,正是由于分析它们提供了非常富于的背景内容,亲们才能透过“狭小”的意识窗口体验到大千世界的处在。

  除了揭示日常意识活动转过身的大脑机制,研究大脑暗能量或许还能为亲们提供另1个 全新的角度去审视重大神经疾病。将来,有你这个进行头脑体操或多样化运动就能必须完成那些疾病的诊断。病人只还要静静地呆在扫描仪内,让默认模式神经网络和其他脑区的暗能量按其他人的节奏运行即可。

  之类研究已为疾病分析开拓了新的思路。大脑成像研究由于分析发现,在阿尔茨海默病、抑郁症、自闭症和精神分裂症患者的默认模式神经网络内,脑细胞之间的连接已处在改变。实际上,阿尔茨海默症将来由于分析被归为默认模式神经网络相关疾病。在大脑成像图上,阿尔茨海默症患者的病变脑区与组成默认模式神经网络的脑区完正吻合。你这个模式不仅可作为诊断阿尔茨海默症的生物学标志,还能够亲们深入了解疾病成因,寻找治疗措施。

  未来,科学家还要要弄清楚另1个 问题报告 报告 :在细胞水平上,各个大脑系统结构及其之间的合作协议性神经活动如可实现;默认模式神经网络如可能够化学和电信号在神经回路间传递。亲们还还要另1个 新理论,用于整合来自细胞、神经回路、神经系统等各层面的数据,从而更全面地描述作为大脑暗能量主要组织者的大脑默认模式究竟如可工作。

  文/马库斯·雷切尔

  (华盛顿大学圣路易斯分校神经科学家)

  译/冯泽君

  选自环球科学公众号,有删节