当我们什么都不做时,大脑能告诉我们些什么

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经验说:什么不做,让大脑“放空”,休息,休息一会儿

实验说:“白日梦”时大脑并没有在休息,而是在进行记忆筛选

人们对大脑在完成各种任务中的活动表现出极大地好奇,但在很长一段时间内,人们忽略了大脑在“放空”状态下的活动。华盛顿圣路易斯大学的神经科学家马库斯•雷切利(Marcus Raichle)和他的同事在数年的研究当中,逐渐揭开了大脑空闲时究竟在做什么的奥秘。

雷切利起先一直运用一种称为PET的脑成像手段研究与词汇有关的大脑活动。有一天他偶尔发现,大脑某一区域在参与者休息时还存在某些激活,而在任务开始后激活又消失。大多数研究者对此不以为然,认为不过是“随机噪声”罢了。但1997年,雷切利的同事乔丹•舒拉姆(Gordon Shulam)发现并非如此。他仔细查看了以往134名被试的脑成像结果,发现无论实验任务是什么,大脑中有一块位置总是在任务开始后降低了激活。2001年,他们两人发表了论文,向世人揭开了大脑中这一神秘“默认网络”的出现。

筛选记忆——“白日梦”的任务

大脑在空闲时到底在干什么呢?雷切利和他的同事,得布拉•格斯纳( Debra Gusnard )认为,大脑放空时的功能和记忆密切相关,大脑中负责记忆的海马可能正在为我们提供日常的种种记忆片段,并让我们产生看似无意义的“白日梦”,再由默认网络——包括内侧前额叶( MPFC ),扣带回后部(PCC)以及邻近的楔前叶,前扣带回腹侧( vACC )的神经网络——对这些记忆片段进行在整合,以便为未来的行为提供参考。最近,达特茅斯学院的玛利亚•曼森(Malia Mason )利用功能核磁共振成像技术fMRI证实了这一点:当人们报告做“白日梦”时,默认网络也活跃起来。也就是说,上课时的走神或白日空想也可能具有重要的意义。

不过默认网络似乎还不仅仅负责“白日梦”的产生。斯坦福大学的马克尔•格雷瑟斯( Michael Grecius )发现,当人们的大脑处于休息状态时,不同的神经元不再随机无规律的波动,而是呈现出一种有规律的“共振”——不同的大脑区域开始形成统一活动的单元。不仅如此,在其他几项研究中,麻醉、镇静剂和睡眠状态也发现了同样的神经发放模式。由于睡眠也具有类似的模式,雷切利认为默认网络参与着记忆的筛选工作:哪些是有意义的,哪些具有威胁性……由于这些工作与人密切相关,所以默认网络随时待命,抓紧一切事件积少成多地处理大量的短时记忆信息。 这一过程可能伴随着大量的神经链接建立,以及接踵而来的能量消耗——这或许就是为什么最初索科洛夫发现,休息的人脑反而耗氧更多了。

阿兹海默——“默认网络”的损伤

不仅如此,最近人们还发现,默认网络与阿兹海默氏症等重大疾病还有密切的关联。2004年,神经学家兰迪•巴克纳在查看匹兹堡医学院的一份阿兹海默氏病人的大脑蛋白簇切片图时,惊讶得发现整个图像和默认网络的分布惊人的相似!也就是说,阿兹海默氏症的症结很可能是由于默认网络的损伤。在雷切利和巴克纳对轻微记忆问题的病人的默认网络进行追踪之后,他们发现默认网络的损伤与最终患上阿兹海默氏病有较大关联。在未来,至少可以根据默认神经网络的状况在一定程度上预测和预防阿兹海默氏病。

除了阿兹海默氏病,默认网络还可能与抑郁,注意力缺陷多动症( ADHD ),自闭症和精神分裂症有关。比利时布鲁塞尔自由大学的神经学家史蒂文•劳伦斯(Steven Laureys)利用fMRI脑成像技术研究了植物人的大脑默认网络状态,结果发现植物人昏迷越严重,默认网络的破坏程度越严重。他希望能在未来植物人清醒时急需研究,看看默认网络能否预测病人的病程变化。苏珊•怀特福德(Susan Whitfield-Gabrielia)在PNAS上撰文发现,精神病人和其亲属的“默认网络”和正常人相比有着显著的活跃性,网络内的相互联结也更强。精神病人异于常人的思维飘逸,幻听幻视,可能正来源于“默认网络”的异常活动。

任重道远——“默认网络”的研究

科学家们也关心默认神经网络在不同年龄段的变化,以及这是否关系到人们的认知功能发展。2010年,瑞典科学家彼得•弗兰森(Peter Fransson) 等人发现儿童的默认网络和成人的有所区别。儿童的“默认网络”更多的汇聚在感觉和运动皮层。而对老年人的研究则发现,默认网络在认知任务过程中的联结和与负责认知区域的同步性都呈减弱的趋势。这可能为老年人的认知控制能力下降提供解释。

很多人会好奇,“默认网络”是否在每个人大脑中都存在,不同种族的默认网络又是否存在区别呢?2010年另一项有关默认网络的研究由35个隶属于不同国家研究所的科学家共同完成,他们利用静息态功能磁共振成像(R-fMRI)技术记录了共1414名志愿者的大脑数据,并发现了普遍存在于大脑中的默认网络。这个巨大的共享数据库将有助于在未来更好的研究默认网络和基因表达,大脑发育和病理过程的关系。

在马库斯惊人的发现十余之后,研究者的辛勤工作在为我们一点点揭开“默认网络“的奥秘。虽然它仍然是“犹抱琵琶半遮面”,但我们至少知道,我们再也离不开 它了,因为那里甚至有性命攸关和支持我们生活的重要工作在进行呢!

参考资料:

The secret life of the brain

Toward discovery science of human brain function, PNAS March 9, 2010 vol. 107 no. 10 4734-4739

Hyperactivity and hyperconnectivity of the default network in schizophrenia and in first-degree relatives of persons with schizophrenia, PNAS January 27, 2009 vol. 106 no. 4 1279-1284

The Functional Architecture of the Infant Brain as Revealed by Resting-State fMRI, Cereb. Cortex (2011) 21 (1): 145-154.

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