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神经科学家告诉你 当你发呆时大脑在做什么

“我的脑筋一片空缺”、“大年夜脑竣事了迁移转变”,假如你还在用这样的说话形容自己发呆时的情形,那就大年夜错特错了:神经成像钻研发明,当我们苏息或发呆时,大年夜脑中始终存在着一些神秘的“背景”神经活动。更让人惊疑的是,当我们故意识地服务时,大年夜脑所耗能量却仅为“背景活动”的1/20。这些看不见的神经活动,便是“大年夜脑暗能量”。

曾不为人知的大年夜脑系统——默认模式神经收集

经久以来,神经科学家不停觉得,人在苏息时,大年夜脑中的神经回路基础处于关闭状态,此时的神经活动属于“随机噪声”,就像没收到旌旗灯号的电视机显示的雪花状图案。

现已证明,当我们坐在椅子上发呆、躺在床上睡觉或吸收了麻醉,各个脑区之间仍在不绝地通报信息。这种不间断的信息通报被称作大年夜脑的默认模式,它所耗损的能量是我们故意识地对其他外在刺激作出反映时所耗能量的20倍。实际上,我们故意识去用饭或演讲等,都是对大年夜脑默认模式下基准神经活动的背离。

理解大年夜脑默认模式的关键,是要找到此前不为人知的大年夜脑系统——默认模式神经收集。在组织神经活动的历程中,默认模式神经收集到底发挥了如何的感化,现在仍在钻研傍边,但我们知道,大年夜脑在形成影象、组织其他各类必要为未来事故做筹备的神经系统时,可能便是采纳默认模式神经收集预先设定好的要领。

在使脑区行径同步方面,默认模式神经收集可能也发挥了紧张感化——让各个脑区就像赛跑运动员一样,在发令枪打响的一顷刻都处于合理的“预备”状态。别的神经科学家还推想,默认模式神经收集遭到破坏,可能会引起精神错乱,以及从阿尔茨海默症到烦闷症的一系列繁杂大年夜脑疾病。

探求大年夜脑的暗能量

“大年夜脑始终处于生动状态”并非新不雅点,脑电图的发现者汉斯·伯格便是这个不雅点的支持者。他在一系列创始性论文中,根据仪器检测到的不间断脑电波推想,“中枢神经系统始终处于相称生动的状态,而不仅仅是在人们清醒的时刻”。

只需对大年夜脑成像图进行肉眼不雅测,就能找到大年夜脑背景活动存在的证据:无论来自对比组照样试验组,大年夜脑成像图老是显示,多个脑区都处于相称繁忙的状态。进一步阐发发明,在履行特定义务时,大年夜脑耗损能量的上升幅度不会跨越根基神经活动的5%。在神经回路中,大年夜部分神经活动都与外部事故无关,这些活动耗损的能量占大年夜脑总耗损能量的60%~80%。是以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年夜脑的暗能量——正如看不见的暗能量盘踞了宇宙中物质能量的绝大年夜多半。

推想大年夜脑暗能量可能存在的另一个来由是,钻研发明只有极少的感官信息能够真正抵达大年夜脑的中枢处置惩罚区域。视觉信息从眼睛传向视觉皮层的历程中,旌旗灯号强度会大年夜幅衰减。

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入迷经连接只有100万个,每秒钟视网膜传向大年夜脑的信息只有600万比特,终极能到达视觉皮层的信息只有1万比特。

颠末进一步处置惩罚,视觉信息才能进入认真产买卖识知觉的脑区。令人惊疑的是,终极形成意识知觉的信息每秒钟不够100比特。假如这些是大年夜脑所能使用的整个信息,如斯少的信息量显然不大年夜可能形成知觉,是以固定存在的大年夜脑神经活动必定在此历程中发挥了某种感化。

神经突触的数量也暗示大年夜脑暗能量可能存在。突触是神经元间的连接点。在视觉皮层中,认真通报视觉信息的突触数量还不到整个突触的10%。是以,大年夜部分突触肯定是用于建立视觉皮层内部神经元间的联系。

默认模式是大年夜脑运行要领的某个根基方面

上世纪90年代中期,人们意外发明,受试者履行某种义务时,特定脑区的生动程度会低于苏息时的基准水平。当其他脑区履行特定义务(如大年夜声朗读)时,这些脑区的生动程度也会下降,尤其是内侧顶叶皮层(位于大年夜脑中部,认真影象人们生活中的私人事故)上的部分区域。这是一个让人费解的征象,我们把生动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明,大年夜脑在无意识状态下绝非处于“闲置状态”。实际上,包括内侧谜样顶叶区在内的大年夜多半脑区不停都很生动,直到大年夜脑开始履行某一特定义务时,一些脑区固有的神经活动水平才会有所下降。

最初,这样的结论曾遭到质疑,被觉得实验数据有误。但后来其他科学家在针对内侧顶叶皮层和内侧前叶皮层(认真推想他人设法主见,并与自身情绪状态有关)的钻研中,也得出了同等的结果。现在,这两个脑区都被觉得是默认模式神经收集的紧张组成区域。

默认模式神经收集的发明,让我们可以从另一个角度思虑大年夜脑的固有神经活动。在此之前,神经心理学家从未把组成神经收集的脑区看作是一个系统,由于在以前的大年夜脑成像实验中,他们都轻忽了这样一个征象:大年夜脑在苏息状态下,多个脑区之间可能都有互相联系。那么,是否只有默认模式神经收集中,脑区之间才有这种互相联系?照样说这种苏息状态下的神经联系在大年夜脑里普遍存在?在阐发大年夜脑磁共振成像图时,一个惊人的发明把我们带到了通往问题谜底的路口。

功能性磁共振旌旗灯号平日是指血氧水平依附旌旗灯号,由于这种成像要领依附于大年夜脑血管血流改变引起的氧含量变更。在静息状态下,各个脑区的血氧水平依附旌旗灯号会迟钝颠簸,大年夜约每10秒完成一个周期。如斯迟钝的颠簸曾被觉得只不过是“噪声”,是以为了更好地反应履行特定义务时的大年夜脑活动,仪器检测到的这些“噪声”旌旗灯号会直接从大年夜脑成像图中打消。

到了1995年,从大年夜脑成像图上打消低频“噪声”旌旗灯号的做法受到了质疑——当时,美国威斯康星医学院的巴拉特·比斯沃尔和同事发明,即便受试者静止不动,节制右手运动的脑区中的“噪声”颠簸也与对侧节制左手的脑区中的神经活动是同步的。本世纪初,美国斯坦福大年夜学的迈克尔·格雷丘斯和相助者发明,当受试者处于苏息状态时,默认模式神经收集中也存在类似的同步颠簸。

格雷丘斯等人的发明如同一颗投向湖面的石子,引起了举世实验室的留意,科学家纷繁开始进行大年夜脑成像钻研,所有的“噪声”旌旗灯号(即紧张大年夜脑系统的固有神经活动)都被记录下来。结果发明,纵然在满身麻醉和浅度就寝时代,受试者大年夜脑内的固有神经活动都邑体现出显着的同步性,暗示这些神经活动不单单是“噪声”,而应该是大年夜脑运行要领的某个根基方面。

上述发明清楚地阐明,只管默认模式神经收集的感化很紧张,但它只是大年夜脑固有神经活动的一部分,大年夜脑中所有系统都具有这样的默认模式。

大年夜脑不时候刻都在努力保持既定反映和即时需求反映之间的动态平衡

经证明,大年夜脑旌旗灯号的频率范围很广,从低频的皮层慢电位到每秒颠簸跨越100次的旌旗灯号都有。神经科学面临的一个重大年夜寻衅,便是弄清楚不合频率的旌旗灯号若何发生互相感化。

钻研证明,皮层慢电位具有异常紧张的感化,频率高于皮层慢电位的电活动可以和皮层慢电位发生同步振动。这就像吹奏交响乐一样,各类乐器发出的声音都按同一节奏交织在一路,而皮层慢电位便是批示家手中的批示棒。不合的是,吹奏交响乐只要掌握好各类乐器的发声光阴即可,神经旌旗灯号则须和谐每个大年夜脑系统从海量的影象和其他信息中读取所需数据——这些信息都是我们在这个繁杂且赓续变更的天下上生计所必需的。皮层慢电位的存在,能包管数据读取历程在折衷的情况下和准确的光阴点上精确进行。

但大年夜脑要比交响乐团繁杂得多。每个具有自力功能的大年夜脑系统,比如节制视觉活动和节制肌肉运动的系统,都有自己的皮层慢电位发放模式。因为每个系统都不相同,是以有效地避免了纷乱。各个系统的电旌旗灯号发放也有先后之分,排在最前面的,便是默认模式神经收集,它就像一个总批示,包管各个系统发出的电旌旗灯号不会互相滋扰,由于大年夜脑并非互相自力的神经系统集群,而是由各个互相联系的系统组成的同盟。

与此同时,这些繁杂的固有神经活动无意偶尔必须给外界需求让步。为了实现这种调节,当我们因为新的或意外的感到信息输入大年夜脑(比如开车回家的路上忽然记起要买盒牛奶回去)而必要维持警醒时,默认模式神经收集的皮层慢电位会有所减弱。但在必要集中精力处置惩罚的工作做完今后,皮层慢电位又会规复至原有水平。我们的大年夜脑不时候刻都在努力保持既定反映和即时需求反映之间的动态平衡。

借助暗能量探索意识本色,核阅重大年夜神经疾病

默认模式神经收集的状态起伏,让我们有时机窥测大年夜脑最深处的秘密。它已经让科学家对意识活动的基础组成——留意力的本色有了新的熟识。2008年,一个跨国钻研小组报道称,经由过程监测默认模式神经收集,他们可以提前30秒猜测吸收扫描的受试者会不会在一个谋略机测试中犯错——假如默认模式神经收集节制了大年夜脑,留意力相关脑区的神经活动减弱,受试者就会犯错。

未来,大年夜脑暗能量或许会供给有关意识本色的线索。大年夜多半神经科学家承认,我们对外界的意识反映只占大年夜脑活动的一小部分。在意识层面之下,那些神秘的大年夜脑活动(如大年夜脑暗能量)起着异常关键的感化,恰是由于它们供给了异常富厚的背景内容,我们才能透过“狭小”的意识窗口体验到大年夜千天下的存在。

除了揭示日常意识活动背后的大年夜脑机制,钻研大年夜脑暗能量或许还能为我们供给一个全新的角度去核阅重大年夜神经疾病。将来,不必进行头脑体操或繁杂运动就可以完成这些疾病的诊断。病人只必要悄悄地呆在扫描仪内,让默认模式神经收集和其他脑区的暗能量按自己的节奏运行即可。

这类钻研已为疾病阐发开发了新的思路。大年夜脑成像钻研已经发明,在阿尔茨海默病、烦闷症、自闭症和精神决裂症患者的默认模式神经收集内,脑细胞之间的连接已发生改变。实际上,阿尔茨海默症将来可能被归为默认模式神经收集相关疾病。在大年夜脑成像图上,阿尔茨海默症患者的病变脑区与组成默认模式神经收集的脑区完全吻合。这一模式不仅可作为诊断阿尔茨海默症的生物学标志,还有助于我们深入懂得疾病成因,探求治疗措施。

未来,科学家必须要弄清楚两个问题:在细胞水平上,各个大年夜脑系统内部及其之间的协作性神经活动若何实现;默认模式神经收集若何匆匆使化学和电旌旗灯号在神经回路间通报。我们还必要一个新理论,用于整合来自细胞、神经回路、神经系统等各层面的数据,从而更周全地描述作为大年夜脑暗能量主要组织者的大年夜脑默认模式究竟若何事情。

原标题:神经科学家奉告你 当你发呆时大年夜脑在做什么?

值班主任:田艳敏

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