大腦是真的會進入省電模式

有些人明明醒著卻沒啥反應,可能會被對此不滿意的旁人嘲諷是不是開了省電模式。但事實上大腦真的存在省電模式。 

 

  當我們的手機或電腦沒電時,螢幕就會變暗,直到像數位死亡那樣完全變黑。但如果切換到低耗能的省電模式時,它就會減少操作以維持基本運作,盡量讓電池撐到可以充電的時候。

 

  人類的能量密集型大腦也是如此。腦細胞主要依賴於葡萄糖的穩定輸送,將葡萄糖轉換成三磷酸腺苷(ATP)為資訊處理提供燃料。當我們有點餓的時候,大腦通常不會改變其能量消耗量。但歷史上人類與其他動物都面臨過長期飢餓的威脅(有時是季節性的),科學家好奇,我們的大腦是否也有一套應對緊急情況的「省電模式」。

 

  愛丁堡大學神經科學家娜塔莉‧羅許福特(Nathalie Rochefort)發表在期刊《神經元》(Neuron)的一項研究,揭示了老鼠視覺系統中的省電策略。科學家發現,當老鼠連續數周被剝奪充足的食物時——足以讓其減少正常體重的15%至20%——視覺皮層神經元突觸的三磷酸腺苷使用量也減少了29%。

 

  然而,這種新發現的節能運作模式是以感知作為代價:它減弱了老鼠觀察環境細節的能力。因為在省電模式下,神經元處理視覺信號的精度較低,因此食物受限的老鼠在視覺任務中的表現更差。

 

  這項新研究受到了神經科學家的廣泛關注與讚揚,包括一些研究與視覺無關的感覺和認知過程的科學家,這些過程也可能因能量被剝奪而發生類似改變,並對瞭解營養不良的人們,甚至某些形式的節食所造成的影響具有重要意義。

 

短暫的飢餓能改變神經處理過程,使我們的注意力偏向某些方面,從而幫助我們更快地找到食物。

 

  如果你曾經覺得肚子餓的時候無法集中精神完成任務,或者滿腦子想得都是食物,神經學證據支持你的感覺。幾年前的研究證實,短暫的飢餓能改變神經處理過程,使我們的注意力偏向某些方面,從而幫助我們更快地找到食物。

 

  2016年,密西根大學的神經科學家克利斯蒂安‧伯吉斯(Christian Burgess)和同事發現,當老鼠觀看與食物相關的圖片時,如果它們處於飢餓狀態,其視覺皮層的一個區域會顯示更多的神經元活動;而在進食以後,這種活動也隨之減少。對人類的成像研究也發現了類似的結果:與吃飽後相比,受試者在飢餓時的一些大腦區域對食物圖片產生了更強烈的反應。

 

  伯吉斯說:「無論你餓不餓,照到你視網膜的光都一樣,但大腦的表現卻非常不同,因為你的身體有一個急需的目標,而它以有助於實現目標的方式來引導你的注意力。」

 

  那經歷長期飢餓會發生什麼事呢?科學家發現,大腦可能有辦法透過減少最耗能的運作過程以節省能量。

 

  這種情況的第一個確鑿證據來自2013年對蒼蠅大腦的研究。法國國家科學研究中心和巴黎高等物理化工學院的皮埃爾—伊夫‧普拉西斯(Pierre-Yves Plaçais)與湯瑪斯‧普瑞特(Thomas Preat)發現,當蒼蠅處於飢餓狀態時,形成長期記憶(一種極為耗費能量的過程)所需的大腦通路就會關閉。當科學家強迫啟動通路以形成記憶時,飢餓中的蒼蠅會死得更快——這表明關閉此過程能保存能量,進而保住它們的性命。

 

  但不清楚哺乳動物更大、認知更先進的大腦是否也有類似行為,也不清楚在動物挨餓以前,是否會有任何跟蒼蠅差不多的省電模式啟動。有理由認為可能不會:如果用於神經處理的能量被提早削減,動物尋找與識別食物的能力很可能也會變差。

 

經歷長期飢餓會發生什麼事呢?科學家發現,大腦可能有辦法透過減少最耗能的運作過程以節省能量。

 

  這項新研究首次揭示了在食物短缺(但並非長期不足)的情況下,大腦如何適應環境以節省能量。科學家在三周的時間中,限制了一組老鼠的食物攝取量,直到其體重減少15%。這些老鼠並不飢餓:事實上,科學家甚至在實驗開始前先餵過它們,以防止伯吉斯和其他研究團隊所發現的短期飢餓神經變化,但老鼠在這三周的時間也沒有獲得所需的全部能量。

 

  然後,科學家開始觀察老鼠神經元之間的對話。當老鼠觀看不同角度的黑條圖像時,科學家測量了視覺皮層中少數神經元發出的電壓突波(神經元用來交流的電信號)數量。初級視覺皮層的神經元會對偏好方向的線條產生反應,例如假設一個神經元的偏好方向為90度,那麼當視覺刺激元素的角度在90度或接近於90度時,它就會發出更頻繁的突波信號,但隨著角度變更大或更小,所發出的突波頻率就會大幅下降。

 

  神經元只有在內部電壓達到臨界值時才會發出突波信號,原理是向細胞內注入帶正電的鈉離子。但在突波發送後,神經元必須把所有的鈉離子抽出來——神經科學家在2001年的研究發現,這是大腦中最耗費能量的過程之一。

 

  作者研究了這個高耗能的過程,以尋找節能模式的證據,結果證明這是正確的區域。被剝奪食物的老鼠的神經元減少了通過細胞膜的電流——以及進入細胞膜的鈉離子數量——所以在鈉離子增加後,它們不需要花那麼多能量把鈉離子抽出。攝入更少的鈉可能會導致更少的突波,但不知何故,被剝奪食物的老鼠的視覺皮層神經元,保持了跟食物充足的老鼠相似的突波率。因此,科學家開始尋找維持突波率的補償過程。

 

  他們發現了兩個變化都讓神經元更容易產生突波。首先,為神經元增加輸入電阻,從而減少了神經元突觸上的電流;提高靜息電位,因此接近發出突波所需的門檻。

 

  西雅圖艾倫腦科學研究所的計算神經學家安東‧阿爾希波夫(Anton Arkhipov)說:「看起來,大腦為了維持放電率付出了很多能量。這告訴我們,維持這些放電率有多麼重要。」畢竟,大腦可能很容易藉由發出較少突波,來達到節省能量的目的。但維持突波率不變意味著犧牲了其他東西:老鼠的視覺皮層神經元無法對使其放電的線條方向具有選擇性,因此它們的反應變得不那麼精準。

 

  為了檢查視覺感知是否受到神經元精度降低的影響,科學家將老鼠放在一個有兩條走廊的水下房間,每條走廊都由白底背景上不同角度的黑條圖案標記。其中一條走廊有隱藏平台,老鼠可以利用它逃離水下房間。老鼠學會將隱藏平台與特定角度的黑條圖案關聯,但科學家逐步增加難度使圖案中的角度更相近,結果是老鼠更難選擇正確的走廊。

 

  當正確和錯誤圖片之間的差異很大時,飢餓的老鼠很容易找到隱藏平台。但當圖片上的角度誤差小於10度時,被剝奪食物的老鼠突然就不能跟飽足的老鼠那樣準確地區分兩者:節省能量的後果是,稍微降低了它們觀察周圍環境細節的能力。

 

  研究結果表明,大腦優先考量對生存最重要的功能。分辨黑條角度10度以內的差異跟尋找附近的水果或及早發現捕食者接近,相比之下可能沒有那麼必要。

 

節省能量的後果是,稍微降低了觀察周圍環境細節的能力。

 

  一個出乎意料的發現是,這些感知障礙在動物真正開始挨餓以前就已經提早出現,杜克大學研究視覺的神經學家琳賽‧格利克菲爾德(Lindsey Glickfeld)說:「這絕對令人驚訝。(視覺)系統不知如何想出了這種方法,讓動物在執行感知任務的能力上進行微妙的調整,從而大量減少能量的使用。」

 

  目前,這項研究只能肯定地告訴我們,哺乳動物確實能開啟視覺皮層神經元的省電模式,羅許福特說:「所以有可能我們展示的結果並不適用於嗅覺,但也有可能不同程度地發生在其他各個皮層區域。」

 

  其他科學家也認同。賓夕法尼亞大學研究聽覺處理的神經科學家瑪麗亞‧格芬(Maria Geffen)說:「整體來說,大腦皮層各區域的神經元功能非常相似。」瑪麗亞推測,省電模式對感知的影響在所有感官上都一樣,目的都是增加對生物體最有用的活動,減少其他一切非必要的活動,她繼續說:「大多數時候,我們的感官都沒有發揮至極限,大腦會根據行為需求不斷進行微調。」

 

  幸運的是,「恍神」或無視細節的情況並非永久性的。當科學家為老鼠注射一劑量的瘦素(機體用來調節能量平衡和飢餓感程度的荷爾蒙)後,他們發現了開啟或關閉省電模式的開關。神經元重新對其偏好方向做出高精度的反應,感知障礙就這樣消失了——而且在過程中都沒有讓老鼠多吃一口食物。羅許福特說:「當我們注射瘦素時,我們可以欺騙大腦,使其恢復皮層功能。」

 

  由於瘦素是由脂肪細胞釋放,科學家認為血液中存在瘦素可能是向大腦發出信號,表明動物處在食物充足的環境中,不需要特地保存能量。這項新研究表明,瘦素濃度低時會提醒大腦注意身體缺乏營養的狀態,使大腦切換至省電模式。

 

每個人的瘦素濃度和整體代謝狀況都不相同,那是否意味著我們的視覺感知——儘管我們可能沒有意識到——實際上也跟每個人不同?

 

  這項發現扭轉了神經科學嗎?羅許福特指出:「真正帶來深遠的影響是,它清楚地表明食物限制確實影響了大腦功能。」她認為,研究觀察到的帶電離子流動的變化,可能對於學習和記憶過程尤其重要,因為它們依賴於神經突觸發生的特定變化。格利克菲爾德說:「如果我們想對動物感官的敏感性或神經元的敏感性提出問題,就必須非常仔細地思考我們該如何設計實驗和如何解釋實驗。」

 

  研究結果提出了一些全新的問題,比如其他生理狀態和荷爾蒙信號如何影響大腦,以及血液裡荷爾蒙濃度的不同,是否導致每個人觀看世界的方式略有不同。哥本哈根大學的神經學家盧恩‧拉斯穆森(Rune Nguyen Rasmussen)指出,每個人的瘦素濃度和整體代謝狀況都不相同。那是否意味著,我們的視覺感知——儘管我們可能沒有意識到——實際上也跟每個人不同?

 

  拉斯穆森提醒,這是個幾乎很難有明確答案的問題,老鼠的有意識視覺感知似乎受到食物剝奪的影響,因為這些感知的神經元表徵和動物行為發生了變化。然而,我們無法百分之百確定,他說:「因為這需要動物向我們親自描述它們的視覺體驗,但顯然它們無法做到這點。」

 

  不過到目前為止,也沒有任何理由認為,老鼠的視覺皮質神經元所開啟的省電模式及對感知的影響,在人類和其他哺乳動物身上就會變得不同,格利克菲爾德說:「我認為這些機制是神經元的基礎。」

 

 

原文出處:Quanta

你可能會喜歡

童年受創的大腦讓青春期來修補

大衛‧林區的噩夢存在主義短片《兔子》

狗狗,略懂數學

「男性科學」時代結束:自然期刊要求論文應解釋是否考慮性與性別