大腦的能量

大腦暗能量

在我們發呆恍神時，大腦中有一些區域卻依然活躍，那裡可能藏著了解神經疾病、甚至意識本質的關鍵線索。 撰文╱賴可（Marcus E. Raichle） 翻譯／涂可欣 重點提要 ■神經科學家一直以為，當人們在休息時，大腦內的神經線路處於關閉的狀態。 ■然而造影實驗卻顯示，腦部在休息時仍有持續的背景活動。 ■這種稱為「預設模式」（default mode）的腦活性，可能對有意識的行為或動作極為重要。 ■若是與預設模式有關的腦區線路發生錯亂，可能會導致阿茲海默症、精神分裂症等疾病。 想像你在戶外躺椅上昏昏欲睡，雜誌就攤在腿上。突然間，一隻蒼蠅飛到你的手臂上，你立刻抓起雜誌打死蒼蠅。在蒼蠅停下來之前和之後，你的大腦各個區域是處在什麼樣的狀態下？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鬆想睡時的狀態相似。在這個觀點之下，休息時腦內的活性只是一些無意義的雜訊，和電視台收播後電視機螢光幕上的雪花信號類似；然後當蒼蠅飛到你手臂上時，大腦立刻專注於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：當人們放鬆休息時，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。這些稱為預設模式（default mode）的活躍信號傳遞，消耗的能量是趕走惱人蒼蠅或對其他外界刺激產生意識反應時的20倍。事實上，無論是坐下來吃晚餐，還是發表演說，大部份的意識行為只不過是稍稍跨出了大腦預設模式的基礎活動。 了解大腦預設模式的關鍵，在於發現了一個過去遭到忽略的腦系統，這個系統現在稱為預設模式網絡（default mode network, DMN）。雖然DMN在組織神經的活動時扮演的角色仍有待釐清，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，在槍響之前都處於「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，甚至各種複雜的腦疾病（例如阿茲海默症和抑鬱症）可能都與DMN的功能受損有關。 探索暗能量 大腦可能一直很忙碌的概念並不算新，發明腦電圖的柏格（Hans Berger）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，並以波紋曲線記錄在紙上，1929年柏格在他發表的重要論文中，即推測了為什麼儀器記錄到不歇止的電震盪，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。」 然而柏格這個有關腦部運作的看法卻遭到忽視，即使後來非侵入性造影成為神經科學實驗室的基本配備，也依然如此。1970年代末，正子斷層掃描（positron emission tomography, PET）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（fMRI），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，但是大部份實驗的設計，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（實驗條件）和默讀（對照條件）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後活動，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，大腦處於什麼樣的狀態？ 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麼多相同的背景「雜訊」，除非經過複雜精密的電腦影像分析，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%用於與外在事件無關的神經線路。在天文學同事的認可下，我們團隊稱呼大腦這些內在活動為「暗能量」（dark energy），因為它們就像宇宙中看不見、卻佔了絕大部份質量的暗能量。 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2010年第99期5月號】