作者：馬庫斯·E·雷切爾
你躺在屋外的搖椅上打盹兒，腿上放著一本雜志。突然，一只蒼蠅停在胳膊上，你拿起雜志去拍它。在蒼蠅停在你身上之后，你的大腦里發(fā)生了什么？在停下來之前呢？長期以來，神經(jīng)科學家一直認為，人在休息時，大腦中的神經(jīng)回路基本處于關閉狀態(tài)。從這個意義上說，此時的神經(jīng)活動屬于“隨機噪聲”，就像沒收到信號的電視機顯示的雪花狀圖案。而當蒼蠅停在你的胳膊上時，大腦恢復意識，準備執(zhí)行“拍蠅任務”。但最近的神經(jīng)成像研究揭示了一個完全不一樣的事實：當人們躺著休息時，大腦并未閑著，很多重要的神經(jīng)活動仍在進行。
現(xiàn)已證實，當我們的大腦在休息時——比如坐在椅子上發(fā)呆、躺在床上睡覺，或接受了麻醉，各個腦區(qū)之間仍在不停地傳遞信息。這種不間斷的信息傳遞被稱作大腦的默認模式，它所消耗的能量是我們拍打蒼蠅，或有意識地對其他外在刺激作出反應時所耗能量的20倍。實際上，我們有意識去做的大多數(shù)事件，比如吃飯和演講等，都是對大腦默認模式下基準神經(jīng)活動的背離。
理解大腦默認模式的關鍵，是要找到此前不為人知的大腦系統(tǒng)——默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡（default mode network，DMN）。在組織神經(jīng)活動的過程中，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡到底發(fā)揮了怎樣的作用，現(xiàn)在仍在研究當中，但我們知道，大腦在形成記憶，組織其他各種需要為未來事件做準備的神經(jīng)系統(tǒng)時（比如感覺到蒼蠅停在胳膊上就下意識地去拍打，這個動作就需要大腦的運動系統(tǒng)隨時做好準備），可能就是采用默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡預先設定好的方式。在使腦區(qū)行為同步方面，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡可能也發(fā)揮了重要作用——讓各個腦區(qū)就像賽跑運動員一樣，在發(fā)令槍打響的那一剎那，都處于合理的“預備”狀態(tài)。如果默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡確實在為大腦的有意識活動做準備，那么研究這個網(wǎng)絡的行為，也許能讓科學家找到一些線索，揭示意識體驗的本質(zhì)。另外，神經(jīng)科學家還推測，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡遭到破壞，可能會引起精神錯亂，以及從阿爾茨海默病到抑郁癥的一系列復雜大腦疾病。
尋找暗能量
“大腦始終處于活躍狀態(tài)”并非新觀點。腦電圖（electroencephalogram，記錄大腦電活動的波形圖）的發(fā)明者漢斯·伯格（Hans Berger）就是這個觀點的支持者。1929年，他在一系列開創(chuàng)性論文中，根據(jù)儀器檢測到的不間斷腦電波推測，“中樞神經(jīng)系統(tǒng)始終處于相當活躍的狀態(tài)，而不僅僅是在人們清醒的時候”。
但伯格關于大腦如何工作的觀點一直沒有引起科學界的重視，甚至在非侵害性成像技術成為神經(jīng)科學實驗室的常規(guī)手段后仍是如此。上世紀70年代末，正電子斷層掃描技術（positron-emission tomography，PET）問世，它可以測量大腦中的葡萄糖代謝率、血流量和氧攝取量，在一定程度上，這些指標能反映大腦的神經(jīng)活動水平；1992年，功能性磁共振成像技術（magnetic resonance imaging，fMRI）誕生，通過測量大腦耗氧量，它也能幫助科學家實現(xiàn)同樣的目的。盡管這些技術都不僅限于測量大腦活動，但大多數(shù)實驗設計都在無意間給人留下了這樣一個印象：大部分腦區(qū)平常都很“安靜”，直到需要執(zhí)行某項具體任務時才會活躍起來。
一般來說，在做成像實驗時，神經(jīng)科學家都會想方設法地確定，產(chǎn)生特定知覺或與某種行為相關的是哪些腦區(qū)。而找到這些腦區(qū)的最好方式，就是在兩種相關狀態(tài)下，直接比較大腦活動有何不同。如果研究人員想要知道，哪些腦區(qū)對“讀單詞”這一行為比較重要，他們就會比較在大聲讀單詞 （試驗組）和默默地看同一組單詞（對照組）時，受試者的大腦成像圖有何差異。為了準確找出這種差異，研究人員必須從讀單詞受試者的大腦成像圖上，消除看單詞受試者大腦成像圖上的內(nèi)容。經(jīng)過處理，成像圖上仍顯示為活躍狀態(tài)的腦區(qū)的神經(jīng)元活動，可能就是讀單詞這一行為所必需的。在這種情況下，大腦的基本活動，也就是始終存在的“背景”神經(jīng)活動都會被消除。以這種方式得到的實驗結果很容易讓人認為，只有在執(zhí)行特定任務時，大腦的“開關”才被打開，而在其他時候，大腦都處于非活躍狀態(tài)。
人們在休息或發(fā)呆時，大腦里面到底發(fā)生了什么？過去幾年，我們和其他一些研究小組對這個問題產(chǎn)生了極大的興趣，因為多項研究都暗示，在這種狀態(tài)下，大腦中存在一定程度的背景活動。
只須對大腦成像圖進行肉眼觀測，就能找到大腦背景活動存在的證據(jù)：無論來自對照組還是試驗組，大腦成像圖總是顯示，多個腦區(qū)都處于相當忙碌的狀態(tài)。由于都存在背景“噪聲”，通過肉眼觀察原始圖像，我們幾乎不可能從兩類大腦成像圖上找出差別，而要完成這一任務，只有利用計算機進行精密的圖片分析。
進一步分析發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行特定任務時，大腦消耗能量的上升幅度不會超過基礎神經(jīng)活動的5%。在神經(jīng)回路中，大部分神經(jīng)活動都與外部事件無關，這些活動消耗的能量占大腦總消耗能量的60%～80%。因此我們借鑒天文學家的說法，把這些固定存在的神經(jīng)活動稱為大腦的暗能量——看不見的暗能量占據(jù)了宇宙中物質(zhì)能量的絕大多數(shù)。
我們推測大腦暗能量可能存在的另一個理由是，研究發(fā)現(xiàn)只有極少的感官信息能夠真正抵達大腦的中樞處理區(qū)域。視覺信息從眼睛傳向視覺皮層的過程中，信號強度會大幅衰減。
我們周圍存在無數(shù)信息，每秒約有上百億比特的信息抵達視網(wǎng)膜，但與之相連的視覺輸出神經(jīng)連接只有100萬個，每秒鐘視網(wǎng)膜傳向大腦的信息只有600萬比特，最終能到達視覺皮層的信息只有1萬比特。
經(jīng)過進一步處理，視覺信息才能進入負責產(chǎn)生意識知覺的腦區(qū)。令人驚訝的是，最終形成意識知覺的信息每秒鐘不足100比特。如果這些是大腦所能利用的全部信息，如此少的信息量顯然不大可能形成知覺，因此固定存在的大腦神經(jīng)活動必定在此過程中發(fā)揮了某種作用。
神經(jīng)突觸的數(shù)量也暗示大腦暗能量可能存在。突觸是神經(jīng)元間的連接點。在視覺皮層中，負責傳遞視覺信息的突觸數(shù)量還不到全部突觸的10%。因此，大部分突觸肯定是用于建立視覺皮層內(nèi)部神經(jīng)元間的聯(lián)系。
探索大腦默認模式
上述與大腦內(nèi)部活動相關的線索已得到證實，但這些內(nèi)部活動的生理功能以及它們?nèi)绾斡绊懼X和行為，仍須進一步研究。幸運的是，在正電子斷層掃描研究中，一個偶然而又令人困惑的發(fā)現(xiàn)，把我們推上了大腦默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡的探索之旅。這一發(fā)現(xiàn)后來還得到了功能性磁共振成像的證實。
上世紀90年代中期，我們意外發(fā)現(xiàn)，受試者執(zhí)行某種任務時，特定腦區(qū)的活躍程度會低于休息時的基準水平。當其他腦區(qū)執(zhí)行特定任務（如大聲朗讀）時，這些腦區(qū)的活躍程度也會下降，尤其是內(nèi)側頂葉皮層（位于大腦中部，負責記憶人們生活中的私人事件）上的部分區(qū)域。這是一個讓人費解的現(xiàn)象，我們把活躍程度下降最多的區(qū)域稱為“內(nèi)側謎樣頂葉區(qū)”（medial mysteryparietal area，簡稱MMPA）。
此后的一系列正電子斷層掃描實驗證實，大腦在無意識狀態(tài)下絕非處于“閑置狀態(tài)”。實際上，包括內(nèi)側謎樣頂葉區(qū)在內(nèi)的大多數(shù)腦區(qū)一直都很活躍，直到大腦開始執(zhí)行某一特定任務時，一些腦區(qū)固有的神經(jīng)活動水平才會有所下降。最初，我們的研究曾遭到質(zhì)疑。1998年，我們的一篇相關論文甚至被退稿，因為一位審稿專家指出，我們得出神經(jīng)活動水平下降的結論可能源于實驗數(shù)據(jù)有誤。這位專家斷言，當人們休息時，神經(jīng)回路實際處于關閉狀態(tài)，而大腦在執(zhí)行任務時，相關回路才會被“打開”。不過，其他科學家在針對內(nèi)側頂葉皮層和內(nèi)側前葉皮層（medial prefrontal cortex，負責推測他人想法，并與自身情緒狀態(tài)有關）的研究中，也得出了與我們一致的結果?，F(xiàn)在，這兩個腦區(qū)都被認為是默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡的重要組成區(qū)域。
默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)現(xiàn)，讓我們可以從另一個角度思考大腦的固有神經(jīng)活動。在此之前，神經(jīng)生理學家從未把組成神經(jīng)網(wǎng)絡的腦區(qū)看作是一個系統(tǒng)（就像視覺系統(tǒng)或運動系統(tǒng)那樣，由一組分散的腦區(qū)構成，相互聯(lián)系，共同完成一項任務），因為在過去的大腦成像實驗中，他們都忽略了這樣一個現(xiàn)象：大腦在休息狀態(tài)下，多個腦區(qū)之間可能都有相互聯(lián)系。那么，是否只有默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡中，腦區(qū)之間才有這種相互聯(lián)系？還是說這種休息狀態(tài)下的神經(jīng)聯(lián)系在大腦里普遍存在？在分析大腦磁共振成像圖時，一個驚人的發(fā)現(xiàn)把我們帶到了通往問題答案的路口。
功能性磁共振信號通常是指血氧水平依賴（blood oxygen level–dependent，BOLD）信號，因為這種成像方式依賴于大腦血管血流改變引起的氧含量變化。在靜息狀態(tài)下，各個腦區(qū)的血氧水平依賴信號會緩慢波動，大約每10秒完成一個周期。如此緩慢的波動曾被認為只不過是“噪聲”，因此為了更好地反映執(zhí)行特定任務時的大腦活動，儀器檢測到的這些“噪聲”信號會直接從大腦成像圖中消除。
到了1995年，從大腦成像圖上消除低頻“噪聲”信號的做法受到了質(zhì)疑——當時，美國威斯康星醫(yī)學院的巴拉特·比斯沃爾（Bharat Biswal）和同事發(fā)現(xiàn)，即便受試者靜止不動，控制右手運動的腦區(qū)中的“噪聲”波動，也與對側控制左手的腦區(qū)中的神經(jīng)活動是同步的。本世紀初，美國斯坦福大學的邁克爾·格雷丘斯（Michael Greicius）和合作者發(fā)現(xiàn)，當受試者處于休息狀態(tài)時，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡中也存在類似的同步波動。
由于科學家對默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡在大腦中的作用越來越感興趣，格雷丘斯等人的發(fā)現(xiàn)猶如一顆投向湖面的石子，引起了全球?qū)嶒炇遥òㄎ覀儗嶒炇遥┑淖⒁猓茖W家紛紛開始進行大腦成像研究，所有的“噪聲”信號（即重要大腦系統(tǒng)的固有神經(jīng)活動）都被記錄下來。結果發(fā)現(xiàn)，即使在全身麻醉和淺度睡眠期間，受試者大腦內(nèi)的固有神經(jīng)活動都會表現(xiàn)出明顯的同步性，暗示這些神經(jīng)活動不單單是“噪聲”，而應該是大腦運行方式的某個基礎方面。
上述發(fā)現(xiàn)清楚地說明，盡管默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡的作用很重要，但它只是大腦固有神經(jīng)活動的一部分，大腦中所有系統(tǒng)都具有這樣的默認模式。在我們實驗室，默認模式在大腦中廣泛存在的現(xiàn)象，是我們首次測定名為皮層慢電位（slow cortical potentials，SCP）的大腦電活動時發(fā)現(xiàn)的，而這種慢電位的形成，源于神經(jīng)元群每10秒放一次電。我們的研究證明，血氧水平依賴信號與皮層慢電位的波動周期恰好吻合，換句話說，兩種不同的實驗方法都檢測到了同一種大腦活動。
接下來，我們開始研究皮層慢電位與其他神經(jīng)電信號建立聯(lián)系有何作用。正如伯格首次提出，后來得到無數(shù)科學家證實的那樣，大腦信號的頻率范圍很廣，從低頻的皮層慢電位到每秒波動超過100次的信號都有。神經(jīng)科學面臨的一個重大挑戰(zhàn)，就是弄清楚不同頻率的信號如何發(fā)生相互作用。
研究證實，皮層慢電位具有非常重要的作用。我們和其他科學家的研究都表明，頻率高于皮層慢電位的電活動可以和皮層慢電位發(fā)生同步振動。最近，芬蘭赫爾辛基大學的馬蒂亞斯·帕爾瓦（Matias Palva）和同事發(fā)現(xiàn)，皮層慢電位上升時，其他頻率的神經(jīng)電信號的強度也會增加。
這就像演奏交響樂一樣，各種樂器發(fā)出的聲音都按同一節(jié)奏交織在一起，而皮層慢電位就是指揮家手中的指揮棒。不同的是，演奏交響樂只要掌握好各種樂器的發(fā)聲時間即可，神經(jīng)信號則須協(xié)調(diào)每個大腦系統(tǒng)從海量的記憶和其他信息中讀取所需數(shù)據(jù)——這些信息都是我們在這個復雜且不斷變化的世界上生存所必需的。皮層慢電位的存在，能保證數(shù)據(jù)讀取過程在和諧的環(huán)境下和準確的時間點上正確進行。
但大腦要比交響樂團復雜得多。每個具有獨立功能的大腦系統(tǒng)，比如控制視覺活動和控制肌肉運動的系統(tǒng)，都有自己的皮層慢電位發(fā)放模式。由于每個系統(tǒng)都不相同，因此有效地避免了混亂。各個系統(tǒng)的電信號發(fā)放也有先后之分，排在最前面的，就是默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡，它就像一個總指揮，保證各個系統(tǒng)發(fā)出的電信號不會相互干擾。大腦具有這種組織方式并不奇怪，因為大腦并非相互獨立的神經(jīng)系統(tǒng)集群，而是由各個相互聯(lián)系的系統(tǒng)組成的聯(lián)盟。
與此同時，這些復雜的固有神經(jīng)活動有時必須給外界需求讓步。為了實現(xiàn)這種調(diào)節(jié)，當我們由于新的或意外的感覺信息輸入大腦（比如開車回家的路上，突然記起要買盒牛奶回去）而需要保持警覺時，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡的皮層慢電位會有所減弱。但在需要集中精力處理的事情做完以后，皮層慢電位又會恢復至原有水平。我們的大腦每時每刻都在努力維持既定反應和即時需求反應之間的動態(tài)平衡。
意識和疾病
默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡的狀態(tài)起伏，讓我們有機會窺探大腦最深處的秘密。它已經(jīng)讓科學家對意識活動的基本組成——注意力的本質(zhì)有了新的認識。2008年，一個跨國研究小組報道稱，通過監(jiān)測默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡，他們可以提前30秒預測接受掃描的受試者會不會在一個計算機測試中犯錯——如果默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡控制了大腦，注意力相關腦區(qū)的神經(jīng)活動減弱，受試者就會犯錯。
未來幾年，大腦暗能量或許會提供有關意識本質(zhì)的線索。大多數(shù)神經(jīng)科學家承認，我們對外界的意識反應只占大腦活動的一小部分。在意識層面之下，那些神秘的大腦活動（如大腦暗能量）起著非常關鍵的作用，正是因為它們提供了非常豐富的背景內(nèi)容，我們才能透過“狹小”的意識窗口體驗到大千世界的存在。
除了揭示日常意識活動背后的大腦機制，研究大腦暗能量或許還能為我們提供一個全新的角度去審視重大神經(jīng)疾病。將來，不必進行頭腦體操或復雜運動就可以完成這些疾病的診斷。病人只需要靜靜地呆在掃描儀內(nèi)，讓默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡和其他腦區(qū)的暗能量按自己的節(jié)奏運行即可。
這類研究已為疾病分析開拓了新的思路。大腦成像研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在阿爾茨海默病、抑郁癥、自閉癥和精神分裂癥患者的默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)，腦細胞之間的連接已發(fā)生改變。實際上，阿爾茨海默病將來可能被歸為默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡相關疾病。在大腦成像圖上，阿爾茨海默病患者的病變腦區(qū)與組成默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡的腦區(qū)完全吻合。這一模式不僅可作為診斷阿爾茨海默病的生物學標志，還有助于我們深入了解疾病成因，尋找治療方法。
未來，科學家必須要弄清楚兩個問題：在細胞水平上，各個大腦系統(tǒng)內(nèi)部及其之間的協(xié)作性神經(jīng)活動如何實現(xiàn)；默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡如何促使化學和電信號在神經(jīng)回路間傳遞。我們還需要一個新理論，用于整合來自細胞、神經(jīng)回路、神經(jīng)系統(tǒng)等各層面的數(shù)據(jù)，從而更全面地描述作為大腦暗能量主要組織者的大腦默認模式究竟如何工作。隨著時間的流逝，我們將完全揭示大腦暗能量的本質(zhì)，弄清楚它到底有哪些生理功能。
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