神经科学家告诉你 当你发呆时大脑在做什么?

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神经科学家告诉你 当你发呆时大脑在做什么? 2019年08月23日 星期五 北京青年报  

 

 

“我的脑子一片空白”、“大脑停止了转动”,如果你还在用这样的语言形容自己发呆时的情形,那就大错特错了:神经成像研究发现,当我们休息或发呆时,大脑中始终存在着一些神秘的“背景”神经活动。更让人惊讶的是,当我们有意识地做事时,大脑所耗能量却仅为“背景活动”的1/20。这些看不见的神经活动,就是“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,神经科学家一直认为,人在休息时,大脑中的神经回路基本处于关闭状态,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,当我们坐在椅子上发呆、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。这种不间断的信息传递被称作大脑的默认模式,它所消耗的能量是我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,我们有意识去吃饭或演讲等,都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怎样的作用,现在仍在研究当中,但我们知道,大脑在形成记忆、组织其他各种需要为未来事件做准备的神经系统时,可能就是采用默认模式神经网络预先设定好的方式。

在使脑区行为同步方面,默认模式神经网络可能也发挥了重要作用——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于合理的“预备”状态。另外神经科学家还推测,默认模式神经网络遭到破坏,可能会引起精神错乱,以及从阿尔茨海默症到抑郁症的一系列复杂大脑疾病。

寻找大脑的暗能量

“大脑始终处于活跃状态”并非新观点,脑电图的发明者汉斯·伯格就是这个观点的支持者。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于相当活跃的状态,而不仅仅是在人们清醒的时候”。

只需对大脑成像图进行肉眼观测,就能找到大脑背景活动存在的证据:无论来自对照组还是试验组,大脑成像图总是显示,多个脑区都处于相当忙碌的状态。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会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外部事件无关,这些活动消耗的能量占大脑总消耗能量的60%~80%。因此我们借鉴天文学家的说法,把这些固定存在的神经活动称为大脑的暗能量——正如看不见的暗能量占据了宇宙中物质能量的绝大多数。

推测大脑暗能量可能存在的另一个理由是,研究发现只有极少的感官信息能够真正抵达大脑的中枢处理区域。视觉信息从眼睛传向视觉皮层的过程中,信号强度会大幅衰减。

我们周围存在无数信息,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只有100万个,每秒钟视网膜传向大脑的信息只有600万比特,最终能到达视觉皮层的信息只有1万比特。

经过进一步处理,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不足100比特。如果这些是大脑所能利用的全部信息,如此少的信息量显然不大可能形成知觉,因此固定存在的大脑神经活动必定在此过程中发挥了某种作用。

神经突触的数量也暗示大脑暗能量可能存在。突触是神经元间的连接点。在视觉皮层中,负责传递视觉信息的突触数量还不到全部突触的10%。因此,大部分突触肯定是用于建立视觉皮层内部神经元间的联系。

默认模式是大脑运行方式的某个基础方面

上世纪90年代中期,人们意外发现,受试者执行某种任务时,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,这些脑区的活跃程度也会下降,尤其是内侧顶叶皮层(位于大脑中部,负责记忆人们生活中的私人事件)上的部分区域。这是一个让人费解的现象,我们把活跃程度下降最多的区域称为“内侧谜样顶叶区”。

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