原標(biāo)題：神經(jīng)科學(xué)家告訴你 當(dāng)你發(fā)呆時大腦在做什么？

“我的腦子一片空白”、“大腦停止了轉(zhuǎn)動”，如果你還在用這樣的語言形容自己發(fā)呆時的情形，那就大錯特錯了：神經(jīng)成像研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們休息或發(fā)呆時，大腦中始終存在著一些神秘的“背景”神經(jīng)活動。更讓人驚訝的是，當(dāng)我們有意識地做事時，大腦所耗能量卻僅為“背景活動”的1/20。這些看不見的神經(jīng)活動，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，大腦中的神經(jīng)回路基本處于關(guān)閉狀態(tài)，此時的神經(jīng)活動屬于“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，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)時所耗能量的20倍。實際上，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，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——讓各個腦區(qū)就像賽跑運動員一樣，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，可能會引起精神錯亂，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，腦電圖的發(fā)明者漢斯·伯格就是這個觀點的支持者。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存在的證據(jù)：無論來自對照組還是試驗組，大腦成像圖總是顯示，多個腦區(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，大腦消耗能量的上升幅度不會超過基礎(chǔ)神經(jīng)活動的5%。在神經(jīng)回路中，大部分神經(jīng)活動都與外部事件無關(guān)，這些活動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，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。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)模式是大腦運行方式的某個基礎(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，特定腦區(qū)的活躍程度會低于休息時的基準(zhǔn)水平。當(dāng)其他腦區(qū)執(zhí)行特定任務(wù)（如大聲朗讀）時，這些腦區(qū)的活躍程度也會下降，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。這是一個讓人費解的現(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驗證實，大腦在無意識狀態(tài)下絕非處于“閑置狀態(tài)”。實際上，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，一些腦區(qū)固有的神經(jīng)活動水平才會有所下降。

最初，這樣的結(jié)論曾遭到質(zhì)疑，被認(rèn)為實驗數(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。現(xiàn)在，這兩個腦區(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角度思考大腦的固有神經(jīng)活動。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)看作是一個系統(tǒng)，因為在過去的大腦成像實驗中，他們都忽略了這樣一個現(xiàn)象：大腦在休息狀態(tài)下，多個腦區(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，一個驚人的發(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，因為這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，各個腦區(qū)的血氧水平依賴信號會緩慢波動，大約每10秒完成一個周期。如此緩慢的波動曾被認(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)時的大腦活動，儀器檢測到的這些“噪聲”信號會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，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，控制右手運動的腦區(qū)中的“噪聲”波動也與對側(cè)控制左手的腦區(qū)中的神經(jīng)活動是同步的。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，默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中也存在類似的同步波動。

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)嶒炇业淖⒁?，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）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)活動都會表現(xiàn)出明顯的同步性，暗示這些神經(jīng)活動不單單是“噪聲”，而應(yīng)該是大腦運行方式的某個基礎(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。

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

經(jīng)證實，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超過100次的信號都有。神經(jīng)科學(xué)面臨的一個重大挑戰(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，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可以和皮層慢電位發(fā)生同步振動。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)聲時間即可，神經(jīng)信號則須協(xié)調(diào)每個大腦系統(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)確的時間點上正確進(jìn)行。

但大腦要比交響樂團(tuán)復(fù)雜得多。每個具有獨立功能的大腦系統(tǒng)，比如控制視覺活動和控制肌肉運動的系統(tǒng)，都有自己的皮層慢電位發(fā)放模式。由于每個系統(tǒng)都不相同，因此有效地避免了混亂。各個系統(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)，它就像一個總指揮，保證各個系統(tǒng)發(fā)出的電信號不會相互干擾，因為大腦并非相互獨立的神經(jīng)系統(tǒng)集群，而是由各個相互聯(lián)系的系統(tǒng)組成的聯(lián)盟。

與此同時，這些復(fù)雜的固有神經(jīng)活動有時必須給外界需求讓步。為了實現(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，默認(rèn)模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的皮層慢電位會有所減弱。但在需要集中精力處理的事情做完以后，皮層慢電位又會恢復(fù)至原有水平。我們的大腦每時每刻都在努力維持既定反應(yīng)和即時需求反應(yīng)之間的動態(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)會窺探大腦最深處的秘密。它已經(jīng)讓科學(xué)家對意識活動的基本組成——注意力的本質(zhì)有了新的認(rèn)識。2008年，一個跨國研究小組報道稱，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不會在一個計算機(jī)測試中犯錯——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)活動減弱，受試者就會犯錯。

未來，大腦暗能量或許會提供有關(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)只占大腦活動的一小部分。在意識層面之下，那些神秘的大腦活動（如大腦暗能量）起著非常關(guān)鍵的作用，正是因為它們提供了非常豐富的背景內(nèi)容，我們才能透過“狹小”的意識窗口體驗到大千世界的存在。

除了揭示日常意識活動背后的大腦機(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)雜運動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問題：在細(xì)胞水平上，各個大腦系統(tǒng)內(nèi)部及其之間的協(xié)作性神經(jīng)活動如何實現(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)

（馬庫斯·雷切爾）