你剛剛結(jié)束了一天的疲憊工作回到家，只想抬起雙腳，隨便看點電視放空自己。雖然這種不動的狀態(tài)感覺像是應(yīng)得的休息，但其實你的大腦并沒有真的“放空”。根據(jù)最新研究，它在你放松時消耗的能量，幾乎和你緊張工作時差不多。

澳大利亞蒙納士大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家沙娜·賈馬達（Sharna Jamadar）和她的同事們，綜合了她所在實驗室以及全球其他研究團隊的研究成果，估算了“認知的代謝成本”（metabolic cost of cognition）——也就是大腦運行到底需要多少能量。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)，專注、有目標(biāo)地思考任務(wù)，比休息狀態(tài)下的大腦活動僅多消耗大約5%的能量。換句話說，即使我們在專心思考時，大腦的能耗也只比“待機”狀態(tài)高出一點點。

我們常覺得集中注意力、深入思考很費腦力，好像消耗了很多能量。但這項新研究支持了一個正在發(fā)展的觀點：大腦的主要功能其實是“維持運轉(zhuǎn)”。過去，很多神經(jīng)科學(xué)研究重點放在外顯的認知活動上，比如注意力、解決問題、工作記憶、決策等。但現(xiàn)在越來越清楚的是，在這些顯性的思維之下，大腦的“后臺”其實一直在高度活躍。它負責(zé)調(diào)節(jié)身體的主要生理系統(tǒng)，自動調(diào)配資源來應(yīng)對內(nèi)外環(huán)境的變化，不管是我們有意識還是無意識的反應(yīng)。

美國東北大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家喬丹·特里奧（Jordan Theriault）指出（他沒有參與這項新研究）：“人們總覺得大腦是用來思考的，但從代謝角度看，它的大部分功能其實是用來管理身體的——調(diào)控器官之間的協(xié)調(diào)，運作這個高成本的系統(tǒng)，以及應(yīng)對復(fù)雜的外部環(huán)境。”

大腦并不僅僅是一個“認知機器”，而是演化塑造出的產(chǎn)物，因此也受到生物體“能源預(yù)算”限制的約束。所以，思考讓你覺得累，并不一定是因為你真的能量耗盡了，而是因為我們在演化過程中學(xué)會了節(jié)約資源。這項對大腦代謝的研究，結(jié)合大腦電活動的動態(tài)研究，揭示了我們認知能力的局限、范圍和效率，是如何受到不同演化力量共同影響的。

預(yù)測引擎的代價

人類大腦的“運轉(zhuǎn)成本”極其高昂。雖然它只占體重的大約2%，卻消耗了人體約20%的能量資源。對于嬰兒來說，這個數(shù)字甚至接近50%。

大腦所需的能量，主要來自一種叫做三磷酸腺苷（ATP）的分子。細胞通過葡萄糖和氧氣合成ATP。大腦中分布著密密麻麻的微小毛細血管，總長度估計約400英里，它們把富含葡萄糖和氧氣的血液輸送到神經(jīng)元和其他腦細胞中。ATP在細胞內(nèi)合成后，用于為神經(jīng)元之間的通訊提供能量，這些通訊構(gòu)成了大腦的各項功能。神經(jīng)元將電脈沖傳送到突觸在那里細胞之間通過分子信號進行交流；電信號的強度決定神經(jīng)元是否會釋放這些信號分子（即“激活”）。如果激活，這個分子信號就會傳遞到下一個神經(jīng)元，如此接力下去。而保持所謂的“膜電位”——即神經(jīng)元膜兩側(cè)的穩(wěn)定電壓狀態(tài)，以便隨時準備響應(yīng)信號——已知就占據(jù)了大腦總能量預(yù)算的一半以上。

直接測量人腦中的ATP是非常侵入性的操作。因此，賈馬達的團隊在這項研究中回顧了包括他們自己在內(nèi)的多個研究成果，使用間接方式來估算能耗——比如通過正電子發(fā)射斷層掃描（PET）來測量葡萄糖消耗，通過功能性磁共振成像（fMRI）來監(jiān)測腦部血流。賈馬達指出，當(dāng)PET和fMRI同時使用時，可以提供關(guān)于大腦如何消耗葡萄糖的互補信息。雖然這不能完全覆蓋大腦的能耗情況，因為神經(jīng)組織還可以將某些氨基酸轉(zhuǎn)化為ATP，但大腦中絕大多數(shù)ATP的確是通過葡萄糖代謝產(chǎn)生的。

賈馬達的分析結(jié)果顯示，當(dāng)大腦執(zhí)行任務(wù)時，所需能量只比靜息狀態(tài)多出約5%。當(dāng)我們進行一項費力且有目標(biāo)的任務(wù)時，比如在一個陌生城市查看公交時刻表，與該任務(wù)相關(guān)的大腦區(qū)域（如視覺和語言處理區(qū)域）中的神經(jīng)元會更頻繁地“發(fā)射”信號。這部分額外的神經(jīng)活動，占據(jù)了那額外的5%能量；而剩下的95%，其實是大腦維持“基本運行”的常規(guī)能耗。

研究人員目前還無法精確知道大腦的“基礎(chǔ)負荷”到底是如何分配的，但在過去幾十年中，他們逐漸揭示了大腦在“后臺”到底在做什么。賈馬達表示：“大約在1990年代中期，我們這個領(lǐng)域開始意識到，即使一個人靜靜地躺著、并沒有明確執(zhí)行任何任務(wù)時，大腦其實也有很多活動在進行。我們過去把這些‘非任務(wù)相關(guān)’的持續(xù)活動當(dāng)作噪聲，但現(xiàn)在我們知道，那些‘噪聲’中其實包含了大量有意義的信號。”

這些“信號”中很大一部分來自所謂的“默認模式網(wǎng)絡(luò)”，這個網(wǎng)絡(luò)在我們休息或表面上看起來沒有從事任何活動時運作。它與我們在頭腦中穿梭于過去、現(xiàn)在和未來的思維體驗有關(guān)——比如今晚晚餐要做什么、上周的某個回憶、或者你髖部的一點酸痛感。此外，在我們意識之下，大腦還在持續(xù)追蹤并維持身體內(nèi)部的各種“生理參數(shù)”——體溫、血糖、心率、呼吸等——這些都必須維持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)（稱為內(nèi)穩(wěn)態(tài)），以維持生命。一旦這些指標(biāo)偏離太遠，身體很快就可能出問題。

特里奧推測，大腦的大部分基礎(chǔ)代謝能量其實是用于“預(yù)測”。為了維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，大腦必須時刻為下一步做好準備——也就是說，它需要持續(xù)構(gòu)建一個對環(huán)境的精密模型，并預(yù)測外部變化會如何影響身體系統(tǒng)。他指出，與其說大腦是“反應(yīng)式”的，不如說它是“預(yù)測式”的：通過預(yù)測，大腦才能更高效地分配資源，幫助身體應(yīng)對變化。

大腦的演化限制

大腦在思考時所需能量僅比靜息狀態(tài)高出5%，聽起來似乎不多，但考慮到整個身體和大腦本身的高能耗，這點增加加起來也是不小的負擔(dān)。再想到我們祖先在資源極度有限的環(huán)境中生活，現(xiàn)代人在忙碌一天后感到疲憊，也就顯得格外合理了。

神經(jīng)科學(xué)家扎希德·帕達姆西（Zahid Padamsey）指出：“你感到疲憊，就像運動之后會累一樣，并不是因為你真的沒有足夠的熱量去‘支付’這些活動，而是因為我們的系統(tǒng)在演化上就非常‘吝嗇’……我們是在資源貧乏的環(huán)境中演化出來的，所以本能上抗拒能量的消耗。”

今天的世界對很多人來說熱量獲取相對容易，這與智人誕生時的匱乏環(huán)境形成鮮明對比。而那5%的能量提升，如果每天都在高強度專注任務(wù)中維持，僅僅20天就會消耗相當(dāng)于整整一天的認知能量。對我們的祖先來說，如果食物難找，這可能就是生與死的區(qū)別。

帕達姆西說：“如果你不控制這個能耗，長期下來會是一筆不小的負擔(dān)，因此我認為，這很大程度上是我們演化遺產(chǎn)的一個‘殘跡’。”事實上，大腦內(nèi)部就設(shè)有機制來防止過度消耗。“當(dāng)能耗過高時，你就會啟動疲勞機制，限制進一步消耗。”

為了更深入理解這種能量限制，帕達姆西在2023年總結(jié)了關(guān)于神經(jīng)信號傳遞中一些“非直覺”的現(xiàn)象，這些研究顯示，大腦在演化過程中有節(jié)能的傾向。舉個例子，你可能會以為傳遞信息越快越好，但實際上，大腦的信息傳輸速度遠低于人們的預(yù)期，這是因為這樣做更節(jié)能。

理論上神經(jīng)元發(fā)射電信號的極限頻率可以達到500赫茲，但如果真的以這個速度傳輸信息，整個系統(tǒng)會被“淹沒”而癱瘓。實際上，神經(jīng)元在信息還可辨別的前提下的最優(yōu)傳輸速率是250赫茲。

但現(xiàn)實中，我們的神經(jīng)元平均發(fā)射速率僅約為4赫茲，比理論最佳速率低了50到60倍。不僅如此，很多突觸傳遞其實并未成功進行：即使電信號已經(jīng)傳到突觸，并激活了它準備釋放化學(xué)分子到下一個神經(jīng)元，它最終真正釋放這些分子的幾率也只有大約 20%。

這是因為我們的演化目標(biāo)并不是傳遞盡可能多的信息。帕達姆西說：“我們在演化過程中將每單位的能量傳遞效率最大化。”——這完全是另一種計算方式。也就是說，大腦追求的是用最少的能量傳遞最多的信息（每個ATP對應(yīng)的比特數(shù)）。在這種策略下，神經(jīng)元的最佳放電頻率其實不到 10赫茲。

從演化角度看，人類的大腦在復(fù)雜性和靈活性上達到了前所未有的高度，但這也是以巨大的能量成本為代價的。如何在大腦的高智能潛力與生物系統(tǒng)的能量限制之間找到平衡，這正是我們大腦運行機制、專注后疲勞感來源、以及大腦維持生命功能背后的一整套“動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)”。而大腦在如此有限的資源下還能完成這么多任務(wù)，確實令人驚嘆。

本文來自微信公眾號：神經(jīng)現(xiàn)實，作者：Conor Feehly，譯者：EY