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脑神经的无用之用

2020-08-01   分类: I鲜生活   参与: 901人  作者:


知识通讯评论第120

神经科学近年的主流思维是探索人类某些工作与脑部某些活动的关联性但是脑部即使在不工作的休息状态也保持着一定活动的事实不但挑战了工作与脑部活动关联的主流思维也深刻显现出人类脑部机制的複杂性

对于自愿参加实验者来说,脑部扫描实验并不是件轻鬆的差事。研究人员通常会要求受测者要做点什幺事情;比方说解数学题、寻找记忆中看过的脸孔或是想着最喜欢的政治领袖,同时观察他们做这些事情时的脑部反应。

脑神经的无用之用

休息状态大脑活动,可以整合从正常活动中累积的记忆或吸收的资讯。

但过去几年间,有些研究人员已开始认为无须全然遵循此种研究标準程序。虽然受测者仍要躺在功能性磁振造影(fMRI)扫描器中,但研究人员会要求受测者试着放空心思,目的是要看看大脑闲置时,会发生什幺状况。结果却是,有很多事情发生。

大脑中有些迴路必须一直保持活动状态,因为他们控制着人体的自律功能,像是呼吸及心跳等。但在人类思索伙食採买清单、重新处理对话及只是做白日梦时,大脑的其他大部分区域仍持续工作。大脑如此活动型态,一般称之为休息状态,神经科学家已经找到证据,显示在此状态下和从事活动状态下的脑部神经网路,看起来非常相似。

如果有任何指标可以衡量休息状态中脑部使用能量的数量,就可突显出休息状态活动的重要性。在休息状态中脑部的血流量,比在脑部从事活动实验中,通常只少了百分之五到百分之十。研究休息状态的大脑应有助于找出积极活动的大脑是如何运作。研究休息状态神经网路,有利于比对出大脑的内在连结,例如解读大脑不同区域之间,那些区域常有互相对话的情形,人类罹患疾病时,这些对话模式又会有何种差异。

但是所有大脑的活动究竟为何产生?若要神经科学家,即使是专门研究休息状态的神经科学家回答这个问题,他们之中许多人的反应,会是摇头叹息或耸肩表达不知道答案。加拿大蒙特娄市麦吉尔大学脑部影像专家舒缪尔(Amir Shmuel)表示,「有关这方面的研究,我们还在初始阶段,大部分的论点仅只是假说」。休息状态大脑活动,可能会让连结在大脑不用时持续运作。又或者休息状态大脑活动,可能有助于支持大脑对未来刺激产生反应,或者是维持通常会合作完成一件工作的大脑不同区域间的连繫。休息状态大脑活动,甚至可以整合从正常活动中累积的记忆或吸收的资讯。

史丹福大学神经科学家葛瑞休斯(Michael Greicius)指出,「对于休息状态大脑活动的研究,各界跃跃欲试殷殷企盼,但是这方面的基础知识却很贫乏」。

保持活动性

依据一九九○年代中期进行的一系列实验结果,首次结论大脑从来不会真正休息。密尔瓦基威斯康辛医学院博士生毕斯瓦尔(Bharat Biswal) ,曾试着找出能够鉴别及排除fMRI扫描产生背景讯号的方法,希望藉此提升对所得到讯号的解读力。毕斯瓦尔目前在纽泽西理工学院担任生物医学工程师,他表示,「我们原来假设这些讯号都是杂讯。」但是他观察受测者休息状态接受扫描的讯号,却显示与平常一样、低度波动频率的脑波扰动。毕斯瓦尔的实验认为那些扰动是神经元活动所造成。

在研究大脑休息状态活动的早期,有些人认为已有了重大发现。葛瑞休斯表示,「我第一次研究这些网路时,我十分确信我们已经开始解答有关人类意识的一连串迷团,而且这是一个即时、持续进行的认知过程。但是,我很快就领悟到这种看法是错误的」。后续研究显示,在像是睡眠或麻醉等其他状态下,活动的神经网路也会出现,所以这些网路活动不必然与认知过程相关。

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神经元间的连结关係会随着年龄增长及知识学习而持续改变,但大脑仍有办法维持自我认知。

但是这并不表示对神经网路研究不具任何意义。毕斯瓦尔发表他发现后过了几年,有关脑部休息状态的研究如雨后春笋般一一出现。由圣路易华盛顿大学神经科学家瑞可(Marcus Raichle)带领的研究团队,将此类网路中的活动定义为大脑的预设模式,他们将之视为基础设定。他们观察到人们开始从事活动,预设模式的活动度其实会下降,但在大脑不再那幺集中注意力时,预设模式活动度又回到平常水準。

除了预设模式网路,还有数十个其他类型的休息状态神经网路也出现了;有些像是主管注意力、视力、听力或移动力的迴路。从不同的研究受测者结果看来,这些网路都很相似,却具有动态、随时间不断改变的特性。儿童心智研究所脑部发展中心主任密尔汉(Michael Milham)表示,「从这些网路总是存在却又具变化性的现象,可以推论出一定有其重要性。」

不过,有些研究人员质疑这些休息样态是否真能代表实际状况。毕竟fMRI虽能监测脑部血流状态,却无法直接衡量大脑电位活动。低度闲置活动可能是人为错认的观察结果。在法国国家健康及医学研究院认知神经影像中心担任研究主任的克连施密特(Andreas Kleinschmidt)指出,「有人怀疑研究使用的扫描器功能太差,或者根本就是杂讯。」但是克连施密特的研究团队使用fMRI及脑电波(EEG) 纪录,结果确认不同的休息状态神经网路,都与神经的真实活动有关。

舒缪尔及美国家心智健康研究所神经生理学家里欧柏(David Leopold)也共同进行类似的研究,观察猴子的休息状态,将探针植入牠们的视皮质深处,以纪录脑部的电位活动。

他们发现休息状态神经网路与频率约为四十赫兹的电位活动间,呈现相关性。这样的活动与相距远的脑部区域间的沟通有关,此项结果让舒缪尔深信,休息状态神经网路代表着实际的脑部活动,他表示,「我坚信必定存在一个神经物理机制,足以控制我们所称的休息状态神经网路」。

混淆的思维

脑部思维混淆时,这种神经生理机制可能会出错。例如,老人癡呆症初期患者的异常休息状态徵兆,即使仅有极轻微的失智,也很容易被侦测出,且随着病症的恶化,异常休息状态徵兆也会有所变化。就患有泛自闭症候群的孩童而言,休息状态神经网路可能有「超连结状况」,比没患自闭症的小孩呈现出更多的连结。造成此种差异的原因未明,但医生或许根本不在乎,因为他们只对找出疾病标记感到兴趣。密尔汉指出,「从医师诊疗的观点,并非都有办法去了解每种生物标记被採用的原因。」但是有些神经科学家对于生物标记的相关变化却十分好奇,德州大学健康科学中心的艾尔摩(Timothy Ellmore),目前正从事帕金森氏症患者休息状态大脑活动的研究,他表示,「我对这个问题很感兴趣,熬夜研究乐此不疲」。

有些研究人员认为,休息状态神经网路会驱动大脑对刺激的反应力。克连施密特表示,「此系统并非闲置在那里不做任何事。」此网路中的往复活动,或许有助于大脑运用过去经验来下决策。服务于圣路易华盛顿大学的柯贝塔(Maurizio Corbetta)认为,「大脑对于估算要如何处理任何在进行中的事情,其计算的精密度超出你的想像」。柯贝他运用一种衡量与神经元电位活动有关磁场的技术,也就是脑磁波仪,对休息状态进行研究了一段时间,他指出,「如果我有办法找出持续态样,可以预测我的人生接下来会发生什幺,那幺我将不需要花脑筋估算任何事」。他将此种活动比拟为处于闲置状态的汽车,「如果你的车引擎已发动只是闲置着,你可以马上开走快速离开,不必要再发动引擎。」

如果有任何指标可以衡量休息状态中脑部使用的能量,就可突显出休息状态活大脑动的重要性。

闲置神经网路不仅能节省时间,也可能在不自觉的情况下影响感官。克连施密特及其同事进行一项实验,要求受测者注视着一张图片(图样可能被解读为一张脸孔或一个花瓶)并且扫描其脑部,回答看到脸孔的人,其脑部专司处理脸部影像的认脸脑区,比起看到图片前,显出较自发性的活动。克连施密特推论,大脑内部为接收外在世界的资讯,一直备有几个模型,可以随时将模型转换成真实状态,因此他认为,「在理想状态下,你对面对接下来要发生的事都已有万全準备。」

柯贝塔从研究脑部受损病患中发现,休息状态大脑活动会改变行为。在这个尚未发表的研究中,他发现证据显示,若有中风等疾病造成前脑区域的损害,可能同时引发其他相距较远脑部区域的变化。此外,迹象显示休息状态大脑活动的改变与行为缺陷有关联,他表示,「这些证据足以说明,休息状态受损,会影响脑部处理工作神经网路的运作方式。」

禅及神经网路维护的艺术

脑神经的无用之用

研究团队使用fMRI及脑电波(EEG) 纪录,确认不同的休息状态神经网路,都与神经的真实活动有关。

瑞可相当认同休息状态的大脑活动,有助于大脑维持有系统运作的看法。神经元间的连结关係,会随着人们年龄增长及知识学习而持续改变,但是人类在经历大变动时仍有办法维持自我认知。在维持那种持续性上,自发活动可能具有相当功能。瑞可指出,「神经元间的连结关係,可能在几分钟、几小时、几天或几星期内改变,明天的脑部结构虽不同于今天,不过,我们仍然不会忘记自己是谁。」

或许这些大脑活动是这些行塑过程的一部分,大脑闲置时就会微调相关连结。有些研究团队已发现,在语言及记忆工作及运动学习,休息状态的连结性会产生变化。英国伯明罕大学脑部行为科学家米欧(Chris Miall)及其同事的研究指出,脑部休息时的自发活动,会被刚发生的事物所扰乱,该研究团队对处理休息状态的受测者的脑部进行扫描,之后要求他们从事一项活动,学习运用操纵桿追蹤移动标靶。当这些受测者完成活动处于休息状态时,研究人员再次扫描他们的脑部,结果显示在休息状态神经网路有运动学习效果。依据该项研究及后续进行的相关调查,米欧下结论,「脑部不只会想着今天晚餐要吃什幺,也会处理最近刚发生的资讯,将部分转换成长期记忆。网路会针对脑部所从事的工作而改变。」

「如果你的车引擎已发动只是闲置着,你可以马上开走快速离开,不必要再发动引擎。」

在动物身上所做有关记忆整合的研究,也支持米欧的结论。过去人们总以为,对于白天从事活动的记忆,经过一夜睡眠后会增强。然而,根据加州大学旧金山分校神经科学家法兰克(Loren Frank)及卡尔森(Mattias Karlsson)对老鼠研究结果,发现脑部只要一有机会就会进行重播及整合新记忆,即使不是在睡眠中。法兰克表示,「外表看来这些受测动物好像没做什幺事,但是牠们的脑部就是有在做事。」

法兰克因此推论,休息状态大脑活动可能也在人类大脑中做着同样的事情;重新启动与过去经验相关的模式。在此同时,网路中的活动也发挥了正常化以及清扫垃圾的功能。法兰克认为「如何让脑部保持弹性」是一个疑问,他表示,「如果你的神经网路充斥着随机模式的活动,将有助于降低与你新进学习事物有关神经系统传导的强度,如此会防止脑部过于频繁的强化同样的神经系统传导。或许休息时段的存在是相当重要的。」

舒缪尔认为「那些活动是保持脑部活动力一个副产品」的看法,目前尚不可能釐清。他表示,「电流会流经这些迴路,可能单纯是因为存在电流,大脑未死以及存有解剖上的连结造成电流形成了非随机结构。但是,这并不是我想看到的事实,如果结果真是这样,那幺就太令人失望了。」

由于休息状态科学的既存特性,造成假说检定相当困难,所以要将科学家想证实可能结果的範围缩小,恐怕还要花上好些时日。如果研究人员将受测者推进扫描仪,指导他们脑中不要刻意想着事情,因为没有事情存在,所以也没有什幺假设可提出。

研究人员要在这条研究路上继续走下去,必须做出大量资料并提出相关检定假设。密尔汉承认,由于自己被训练成为一个受假定驱动的认知神经科学家,因而对此充满热忱,他说,「休息状态大脑活动开启了发现科学,在承认这个事实之前,我看起来好像被异端邪说迷惑住了。」

米欧坦率地表示,「不论休息状态大脑活动到底在做什幺,它的存在证明了一件事,那就是人类的大脑只在死后才会真正休息。」

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