大腦暗能量

紀舟

在我們發呆恍神時。大腦中有一些區域卻依然活躍，那里可能藏著了解神經疾病，甚至意識本質的關鍵線索。

想象你在戶外躺椅上昏昏欲睡，雜志就攤在腿上。突然間，一只蒼蠅飛到你的手臂上，你立刻抓起雜志打死蒼蠅。在蒼蠅停下來之前和之后，你大腦的各個區域處在什么樣的狀態下？長久以來，許多神經科學家以為人們在休息時，大腦的神經活性和放松想睡時的狀態相似。在這個觀點下，休息時腦內的活性只是一些無意義的噪聲，然后當蒼蠅飛到你手臂上時，大腦立刻專注于打蒼蠅這個有意識的動作。但是最新的造影分析研究，卻顯示了值得注意的現象：當人們放松休息時，大腦仍忙碌地進行許多有意義的活動。

科學家發現，當我們安靜坐在椅子上發呆、躺在床上睡覺，或是手術麻醉時，大腦內許多分散的腦區仍然不斷交談著。這些被稱為默認模式的活躍信號傳遞，消耗的能量是對其他外界刺激產生意識反應時的20倍。

了解大腦默認模式的關鍵，在于發現了一個過去遭到忽略的腦系統，這個系統現在稱為默認模式網絡。雖然DMN在組織神經的活動時扮演的角色仍有待厘清，但它很可能指揮了腦部組織記憶和各個與應變未來事件相關的區域，例如當你感覺蒼蠅輕觸手臂時，腦部的運動系統必須快速應變。DMN可能對所有腦區的同步化具有重要功能，讓各腦區都像田徑選手一樣，在槍響之前都處于“預備”狀態。如果DMN確實可為腦部的意識活動預做準備，研究DMN的行為或許能讓我們了解意識經驗的本質。此外，神經科學家也懷疑一些簡單的心智錯亂，甚至各種復雜的腦疾病可能與DMN的功能受損有關。

大腦可能一直很忙碌的概念并不算新，發明腦電圖的博格就是早期的倡議者之一。腦電圖這類儀器能偵測大腦的電活性，并以波紋曲線記錄在紙上。1929年博格在他發表的重要論文中，便推測了為什么儀器記錄到不停歇的電震蕩，他說：“我們必須假設中樞神經系統不是只有在清醒時才有活性，而是一直都很活躍的。”

然而博格這個有關腦部運作的看法卻遭到忽視，即使后來非侵入性造影成為神經科學實驗室的基本配置，也依然如此。20世紀70年代末，正子斷層掃描問世，它可以測量葡萄糖代謝、血流和氧氣的攝取，從而推斷神經活性；1992年出現的功能性磁共振造影，則可測量腦中發生的氧化作用。這些科技絕對足以分析專注活動或休息時的腦活性，但是大部分實驗的設計，卻讓人產生“大腦在沒有進行特定活動時會維持沉寂”的印象。

神經科學家在進行造影實驗時，一般都是為了找出與特定知覺或行為有關的腦區，而設計這類實驗最好的辦法，就是比較兩種相關條件下的腦部活動。舉例來說，如果研究人員想知道哪個腦區對大聲朗讀很重要，他們會比對朗讀和默讀相同文句時的神經活性，找出不同之處；為了能清楚呈現差異，研究人員會將朗讀時的像素減去默讀時的像素，剩下來仍“發亮”的區域，應該就是對朗讀極為重要的腦區。這種方法雖能彰顯特定行為所活化的腦區，但在過程中卻刪除了腦部的任何內在活性，也就是那些持續的背景活動，讓人誤以為它們平常都是靜止的。

然而過去幾年來，許多研究都暗示了腦部有著活躍的幕后活動，使得我們和其他研究團隊開始好奇：人們在休息或讓思緒自由奔馳時，大腦處于什么樣的狀態？

其中一條線索是直接檢視造影結果。這些影像顯示，在實驗或對照條件下許多腦區都很忙碌，也因為在原始影像中對照組和實驗組有這么多相同的背景“噪聲”，除非經過復雜精密的計算機影像分析，否則很難分辨出差異。

進一步分析顯示，在進行特定意識活動時，大腦額外消耗的能量不超過基礎活動時的5%，而整個活動所耗費的能量有60%-80%用于與外在事件無關的神經線路。我們的團隊將大腦的這些內在活動稱為“暗能量”。

另一項讓人懷疑有神經暗能量存在的觀察是，來自感覺器官的信息僅有極小部分抵達大腦內部的處理區。舉例來說，從眼睛傳到大腦皮質的視覺信息，在過程中大幅減少。

我們放眼所及的世界里充滿了幾乎無窮盡的信息，進入我們眼底視網膜的信息大約是每秒100億位。而連接視網膜與大腦的視神經有100萬條線路，從視網膜送出信息的速度約每秒600萬位，但最后抵達大腦皮質的只有每秒1萬位。

這些視覺信息經過進一步處理后，會再傳送到負責形成知覺的腦區。讓人驚訝的是，被腦部用以構成感知的信息不到每秒100位。如此涓滴細流的信息應該不足以產生知覺，大腦的內在活動必定扮演了某種角色。

還有一條可以了解腦部內在處理能力的線索，就是去計算突觸的數量。突觸是神經元之間的接觸點，在視覺皮質中，負責接收視覺信息的突觸不到10%，因此絕大多數的突觸必定用于腦區的內部聯系。