大脑暗能量（图）

在我们发呆恍神时，大脑中有一些区域却依然活跃，那里可能藏着了解神经疾病、甚至意识本质的关键线索。

(照片提供/科学人)

重点提要

■神经科学家一直以为，当人们在休息时，大脑内的神经线路处于关闭的状态。

■然而造影实验却显示，脑部在休息时仍有持续的背景活动。

■这种称为“预设模式”（default mode）的脑活性，可能对有意识的行为或动作极为重要。

■若是与预设模式有关的脑区线路发生错乱，可能会导致阿兹海默症、精神分裂症等疾病。

想像你在户外躺椅上昏昏欲睡，杂志就摊在腿上。突然间，一只苍蝇飞到你的手臂上，你立刻抓起杂志打死苍蝇。在苍蝇停下来之前和之后，你的大脑各个区域是处在什么样的状态下？长久以来，许多神经科学家以为人们在休息时，大脑的神经活性和放松想睡时的状态相似。在这个观点之下，休息时脑内的活性只是一些无意义的杂讯，和电视台收播后电视机萤光幕上的雪花信号类似；然后当苍蝇飞到你手臂上时，大脑立刻专注于打苍蝇这个有意识的动作。但是最新的造影分析研究，却显示了值得注意的现象：当人们放松休息时，大脑仍忙碌地进行许多有意义的活动。

科学家发现，当我们安静坐在椅子上发呆、躺在床上睡觉，或是手术麻醉时，大脑内许多分散的脑区仍然不断交谈着。这些称为预设模式（default mode）的活跃信号传递，消耗的能量是赶走恼人苍蝇或对其他外界刺激产生意识反应时的20倍。事实上，无论是坐下来吃晚餐，还是发表演说，大部份的意识行为只不过是稍稍跨出了大脑预设模式的基础活动。

了解大脑预设模式的关键，在于发现了一个过去遭到忽略的脑系统，这个系统现在称为预设模式网络（default mode network, DMN）。虽然DMN在组织神经的活动时扮演的角色仍有待厘清，但它很可能指挥了脑部组织记忆和各个与应变未来事件相关的区域，例如当你感觉苍蝇轻触手臂时，脑部的运动系统必须快速应变。DMN可能对所有脑区的同步化具有重要功能，让各脑区都像田径选手一样，在枪响之前都处于“预备”状态。如果DMN确实可为脑部的意识活动预做准备，研究DMN的行为或许能让我们了解意识经验的本质。此外，神经科学家也怀疑一些简单的心智错乱，甚至各种复杂的脑疾病（例如阿兹海默症和抑郁症）可能都与DMN的功能受损有关。

探索暗能量

大脑可能一直很忙碌的概念并不算新，发明脑电图的柏格（Hans Berger）就是早期的倡议者之一。脑电图这类仪器能侦测大脑的电活性，并以波纹曲线记录在纸上，1929年柏格在他发表的重要论文中，即推测了为什么仪器记录到不歇止的电震荡，他说：“我们必须假设中枢神经系统不是只有在清醒时才有活性，而是一直都很活跃的。”

然而柏格这个有关脑部运作的看法却遭到忽视，即使后来非侵入性造影成为神经科学实验室的基本配备，也依然如此。1970年代末，正子断层扫描（positron emission tomography, PET）问世，它可以测量葡萄糖代谢、血流和氧气的摄取，从而推断神经活性；1992年出现的功能性磁共振造影（fMRI），则可测量脑中发生的氧化作用。这些科技绝对足以分析专注活动或休息时的脑活性，但是大部份实验的设计，却让人产生“大脑在没有进行特定活动时会维持沉寂”的印象。

神经科学家在进行造影实验时，一般都是为了找出与特定知觉或行为有关的脑区，而设计这类实验最好的办法，就是比较两种相关条件下的脑部活动。举例来说，如果研究人员想知道哪个脑区对大声朗读很重要，他们会比对朗读（实验条件）和默读（对照条件）相同文句时的神经活性，找出不同之处；为了能清楚呈现差异，研究人员会将朗读时的像素减去默读时的像素，剩下来仍“发亮”的区域，应该就是对朗读极为重要的脑区。这种方法虽能彰显特定行为所活化的脑区，但在过程中却删除了脑部的任何内在活性，也就是那些持续的背景活动，让人误以为它们平常都是静止的。

然而过去几年来，许多研究都暗示了脑部有着活跃的幕后活动，使得我们和其他研究团队开始好奇：人们在休息或让思绪自由奔驰时，大脑处于什么样的状态？

其中一条线索是直接检视造影结果。这些影像显示，在实验或对照条件下许多脑区都很忙碌，也因为在原始影像中对照组和实验组有这么多相同的背景“杂讯”，除非经过复杂精密的电脑影像分析，否则很难分辨出差异。

进一步分析显示，在进行特定意识活动时，大脑额外消耗的能量不超过基础活动时的5%，而整个活动所耗费的能量有60~80%用于与外在事件无关的神经线路。在天文学同事的认可下，我们团队称呼大脑这些内在活动为“暗能量”（dark energy），因为它们就像宇宙中看不见、却占了绝大部份质量的暗能量。

另一项让人怀疑有神经暗能量存在的观察是，来自感觉器官的资讯仅有极小部份抵达大脑内部的处理区。举例来说，从眼睛传到大脑皮质的视觉资讯，在过程中一路大幅减少。

我们放眼所及的世界里充满了几乎无穷尽的资讯，进入我们眼底视网膜的讯息大约是每秒100亿位元。而连接视网膜与大脑的视神经有100万条线路，从视网膜送出资讯的速度约每秒600万位元，但最后抵达大脑皮质的只有每秒1万位元。

这些视觉资讯经过进一步处理后，会再传送到负责形成知觉的脑区。让人惊讶的是，被脑部用以构成感知的资讯不到每秒100位元；如此涓滴细流的资讯应该不足以产生知觉，大脑的内在活动必定扮演了某种角色。

还有一条可以了解脑部内在处理能力的线索，就是去计算突触的数量。突触是神经元之间的接触点，在视觉皮质中，负责接收视觉资讯的突触不到10%，因此绝大多数的突触必定是用于脑区的内部联系。