“我的腦子一片空白”、“大腦停止了轉(zhuǎn)動(dòng)”，如果你還在用這樣的語言形容自己發(fā)呆時(shí)的情形，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了：神經(jīng)成像研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們休息或發(fā)呆時(shí)，大腦中始終存在著一些神秘的“背景”神經(jīng)活動(dòng)。更讓人驚訝的是，當(dāng)我們有意識地做事時(shí)，大腦所耗能量卻僅為“背景活動(dòng)”的1/20。這些看不見的神經(jīng)活動(dòng)，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(shí)，大腦中的神經(jīng)回路基本處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)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(shí)，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(gè)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(shí)所耗能量的20倍。實(shí)際上，我們有意識去吃飯或演講等，都是對大腦默認(rèn)模式下基準(zhǔn)神經(jīng)活動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(gè)腦區(qū)就像賽跑運(yùn)動(dòng)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(huì)引起精神錯(cuò)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(diǎn)，腦電圖的發(fā)明者漢斯·伯格就是這個(gè)觀點(diǎn)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(shí)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(dòng)存在的證據(jù)：無論來自對照組還是試驗(yàn)組，大腦成像圖總是顯示，多個(gè)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(shí)，大腦消耗能量的上升幅度不會(huì)超過基礎(chǔ)神經(jīng)活動(dòng)的5%。在神經(jīng)回路中，大部分神經(jīng)活動(dòng)都與外部事件無關(guān)，這些活動(dòng)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(dòng)稱為大腦的暗能量——正如看不見的暗能量占據(jù)了宇宙中物質(zhì)能量的絕大多數(shù)。

推測大腦暗能量可能存在的另一個(gè)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(huì)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(gè)，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(dòng)必定在此過程中發(fā)揮了某種作用。

神經(jīng)突觸的數(shù)量也暗示大腦暗能量可能存在。突觸是神經(jīng)元間的連接點(diǎn)。在視覺皮層中，負(fù)責(zé)傳遞視覺信息的突觸數(shù)量還不到全部突觸的10%。因此，大部分突觸肯定是用于建立視覺皮層內(nèi)部神經(jīng)元間的聯(lián)系。

　　默認(rèn)模式是大腦運(yùn)行方式的某個(gè)基礎(chǔ)方面

上世紀(jì)90年代中期，人們意外發(fā)現(xiàn)，受試者執(zhí)行某種任務(wù)時(shí)，特定腦區(qū)的活躍程度會(huì)低于休息時(shí)的基準(zhǔn)水平。當(dāng)其他腦區(qū)執(zhí)行特定任務(wù)(如大聲朗讀)時(shí)，這些腦區(qū)的活躍程度也會(huì)下降，尤其是內(nèi)側(cè)頂葉皮層(位于大腦中部，負(fù)責(zé)記憶人們生活中的私人事件)上的部分區(qū)域。這是一個(gè)讓人費(fèi)解的現(xiàn)象，我們把活躍程度下降最多的區(qū)域稱為“內(nèi)側(cè)謎樣頂葉區(qū)”。

此后的一系列正電子斷層掃描實(shí)驗(yàn)證實(shí)，大腦在無意識狀態(tài)下絕非處于“閑置狀態(tài)”。實(shí)際上，包括內(nèi)側(cè)謎樣頂葉區(qū)在內(nèi)的大多數(shù)腦區(qū)一直都很活躍，直到大腦開始執(zhí)行某一特定任務(wù)時(shí)，一些腦區(qū)固有的神經(jīng)活動(dòng)水平才會(huì)有所下降。

最初，這樣的結(jié)論曾遭到質(zhì)疑，被認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有誤。但后來其他科學(xué)家在針對內(nèi)側(cè)頂葉皮層和內(nèi)側(cè)前葉皮層(負(fù)責(zé)推測他人想法，并與自身情緒狀態(tài)有關(guān))的研究中，也得出了一致的結(jié)果?，F(xiàn)在，這兩個(gè)腦區(qū)都被認(rèn)為是默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要組成區(qū)域。

默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)，讓我們可以從另一個(gè)角度思考大腦的固有神經(jīng)活動(dòng)。在此之前，神經(jīng)生理學(xué)家從未把組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腦區(qū)看作是一個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)樵谶^去的大腦成像實(shí)驗(yàn)中，他們都忽略了這樣一個(gè)現(xiàn)象：大腦在休息狀態(tài)下，多個(gè)腦區(qū)之間可能都有相互聯(lián)系。那么，是否只有默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，腦區(qū)之間才有這種相互聯(lián)系？還是說這種休息狀態(tài)下的神經(jīng)聯(lián)系在大腦里普遍存在？在分析大腦磁共振成像圖時(shí)，一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)把我們帶到了通往問題答案的路口。

功能性磁共振信號通常是指血氧水平依賴信號，因?yàn)檫@種成像方式依賴于大腦血管血流改變引起的氧含量變化。在靜息狀態(tài)下，各個(gè)腦區(qū)的血氧水平依賴信號會(huì)緩慢波動(dòng)，大約每10秒完成一個(gè)周期。如此緩慢的波動(dòng)曾被認(rèn)為只不過是“噪聲”，因此為了更好地反映執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)的大腦活動(dòng)，儀器檢測到的這些“噪聲”信號會(huì)直接從大腦成像圖中消除。

到了1995年，從大腦成像圖上消除低頻“噪聲”信號的做法受到了質(zhì)疑——當(dāng)時(shí)，美國威斯康星醫(yī)學(xué)院的巴拉特·比斯沃爾和同事發(fā)現(xiàn)，即便受試者靜止不動(dòng)，控制右手運(yùn)動(dòng)的腦區(qū)中的“噪聲”波動(dòng)也與對側(cè)控制左手的腦區(qū)中的神經(jīng)活動(dòng)是同步的。本世紀(jì)初，美國斯坦福大學(xué)的邁克爾·格雷丘斯和合作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受試者處于休息狀態(tài)時(shí)，默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中也存在類似的同步波動(dòng)。

格雷丘斯等人的發(fā)現(xiàn)猶如一顆投向湖面的石子，引起了全球?qū)嶒?yàn)室的注意，科學(xué)家紛紛開始進(jìn)行大腦成像研究，所有的“噪聲”信號(即重要大腦系統(tǒng)的固有神經(jīng)活動(dòng))都被記錄下來。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使在全身麻醉和淺度睡眠期間，受試者大腦內(nèi)的固有神經(jīng)活動(dòng)都會(huì)表現(xiàn)出明顯的同步性，暗示這些神經(jīng)活動(dòng)不單單是“噪聲”，而應(yīng)該是大腦運(yùn)行方式的某個(gè)基礎(chǔ)方面。

上述發(fā)現(xiàn)清楚地說明，盡管默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用很重要，但它只是大腦固有神經(jīng)活動(dòng)的一部分，大腦中所有系統(tǒng)都具有這樣的默認(rèn)模式。

　　大腦每時(shí)每刻都在努力維持既定反應(yīng)和即時(shí)需求反應(yīng)之間的動(dòng)態(tài)平衡

經(jīng)證實(shí)，大腦信號的頻率范圍很廣，從低頻的皮層慢電位到每秒波動(dòng)超過100次的信號都有。神經(jīng)科學(xué)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，就是弄清楚不同頻率的信號如何發(fā)生相互作用。

研究證實(shí)，皮層慢電位具有非常重要的作用，頻率高于皮層慢電位的電活動(dòng)可以和皮層慢電位發(fā)生同步振動(dòng)。這就像演奏交響樂一樣，各種樂器發(fā)出的聲音都按同一節(jié)奏交織在一起，而皮層慢電位就是指揮家手中的指揮棒。不同的是，演奏交響樂只要掌握好各種樂器的發(fā)聲時(shí)間即可，神經(jīng)信號則須協(xié)調(diào)每個(gè)大腦系統(tǒng)從海量的記憶和其他信息中讀取所需數(shù)據(jù)——這些信息都是我們在這個(gè)復(fù)雜且不斷變化的世界上生存所必需的。皮層慢電位的存在，能保證數(shù)據(jù)讀取過程在和諧的環(huán)境下和準(zhǔn)確的時(shí)間點(diǎn)上正確進(jìn)行。

但大腦要比交響樂團(tuán)復(fù)雜得多。每個(gè)具有獨(dú)立功能的大腦系統(tǒng)，比如控制視覺活動(dòng)和控制肌肉運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，都有自己的皮層慢電位發(fā)放模式。由于每個(gè)系統(tǒng)都不相同，因此有效地避免了混亂。各個(gè)系統(tǒng)的電信號發(fā)放也有先后之分，排在最前面的，就是默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它就像一個(gè)總指揮，保證各個(gè)系統(tǒng)發(fā)出的電信號不會(huì)相互干擾，因?yàn)榇竽X并非相互獨(dú)立的神經(jīng)系統(tǒng)集群，而是由各個(gè)相互聯(lián)系的系統(tǒng)組成的聯(lián)盟。

與此同時(shí)，這些復(fù)雜的固有神經(jīng)活動(dòng)有時(shí)必須給外界需求讓步。為了實(shí)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)，當(dāng)我們由于新的或意外的感覺信息輸入大腦(比如開車回家的路上突然記起要買盒牛奶回去)而需要保持警覺時(shí)，默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的皮層慢電位會(huì)有所減弱。但在需要集中精力處理的事情做完以后，皮層慢電位又會(huì)恢復(fù)至原有水平。我們的大腦每時(shí)每刻都在努力維持既定反應(yīng)和即時(shí)需求反應(yīng)之間的動(dòng)態(tài)平衡。

　　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(huì)窺探大腦最深處的秘密。它已經(jīng)讓科學(xué)家對意識活動(dòng)的基本組成——注意力的本質(zhì)有了新的認(rèn)識。2008年，一個(gè)跨國研究小組報(bào)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(huì)不會(huì)在一個(gè)計(jì)算機(jī)測試中犯錯(cuò)——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(dòng)減弱，受試者就會(huì)犯錯(cuò)。

未來，大腦暗能量或許會(huì)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(dòng)的一小部分。在意識層面之下，那些神秘的大腦活動(dòng)(如大腦暗能量)起著非常關(guān)鍵的作用，正是因?yàn)樗鼈兲峁┝朔浅ＸS富的背景內(nèi)容，我們才能透過“狹小”的意識窗口體驗(yàn)到大千世界的存在。

除了揭示日常意識活動(dòng)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(gè)全新的角度去審視重大神經(jīng)疾病。將來，不必進(jìn)行頭腦體操或復(fù)雜運(yùn)動(dòng)就可以完成這些疾病的診斷。病人只需要靜靜地呆在掃描儀內(nèi)，讓默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他腦區(qū)的暗能量按自己的節(jié)奏運(yùn)行即可。

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)，在阿爾茨海默病、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。實(shí)際上，阿爾茨海默癥將來可能被歸為默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)疾病。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。

未來，科學(xué)家必須要弄清楚兩個(gè)問題：在細(xì)胞水平上，各個(gè)大腦系統(tǒng)內(nèi)部及其之間的協(xié)作性神經(jīng)活動(dòng)如何實(shí)現(xiàn);默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何促使化學(xué)和電信號在神經(jīng)回路間傳遞。我們還需要一個(gè)新理論，用于整合來自細(xì)胞、神經(jīng)回路、神經(jīng)系統(tǒng)等各層面的數(shù)據(jù)，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(rèn)模式究竟如何工作。

文/馬庫斯·雷切爾

(華盛頓大學(xué)圣路易斯分校神經(jīng)科學(xué)家)

譯/馮澤君

選自環(huán)球科學(xué)公眾號，有刪節(jié)