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。

【欲閱讀完整的豐富內容,請參閱科學人2010年第99期5月號】

 

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雲竹小棧

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