沉默的神經(jīng)元

賀毅

什么是“10%腦”？

長(zhǎng)久以來，一直有觀點(diǎn)認(rèn)為“普通人的大腦只使用了10%，剩下90%的大腦處于閑置狀態(tài)”，如能充分開發(fā)人腦將極大提高人們的智力水平。愛因斯坦的大腦開發(fā)了20%以上，才可能提出常人難以理解的相對(duì)論。著名導(dǎo)演呂克·貝松執(zhí)導(dǎo)的科幻電影《超體》中也反映了這個(gè)概念，女主角機(jī)緣巧合最終激活了100%的大腦，變成了無(wú)所不能且無(wú)處不在的“超體”。那么，這一觀點(diǎn)到底對(duì)不對(duì)呢？

“10%腦”的觀點(diǎn)是正確的嗎？

上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的腦功能核磁共振技術(shù)給出了明確的否定回答。該技術(shù)可以通過檢測(cè)腦內(nèi)與氧結(jié)合的血紅蛋白和脫氧的血紅蛋白的比值來衡量耗氧量，進(jìn)而代表腦功能狀態(tài)。通過此技術(shù)人們發(fā)現(xiàn)不少出乎意料的現(xiàn)象，例如，即便是睡眠階段，大腦的所有部分都處于活動(dòng)狀態(tài)；在從事各種腦力活動(dòng)時(shí)使用的也是全部大腦；即使是最簡(jiǎn)單的思考都需要調(diào)動(dòng)幾乎全部腦組織；在完成需要高度集中精神的任務(wù)時(shí)，雖然導(dǎo)致了特定部分腦區(qū)耗能改變，但大腦的總體能量代謝不會(huì)明顯增強(qiáng)。大量臨床病例也證明大腦中幾乎不存在損傷后而不影響功能的腦區(qū)。因此，以上證據(jù)說明大腦作為一個(gè)整體來發(fā)揮作用，而不存在無(wú)用的腦區(qū)。

從生物經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來看，生物總是用最少的資源實(shí)現(xiàn)正常的功能。人腦占全身重量的2%，卻消耗著全身20%的能量。如此多的能量供給90%的不起作用的腦組織，這是不合理的機(jī)制。即使有，在進(jìn)化過程中也會(huì)淘汰掉這部分無(wú)用腦。

然而通過實(shí)時(shí)的神經(jīng)元鈣成像技術(shù)卻發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象。這是一種可以在單細(xì)胞尺度精確反映神經(jīng)元即時(shí)活動(dòng)狀態(tài)的技術(shù)。通過此技術(shù)人們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)神經(jīng)元長(zhǎng)期處于沉默狀態(tài)。例如，在大鼠的初級(jí)聽覺皮層中，只有不到10%的神經(jīng)元能對(duì)聲音刺激產(chǎn)生反應(yīng)。嗅球、初級(jí)視皮層、感覺皮層等其他區(qū)域也顯示了類似的結(jié)果。采用其他技術(shù)，例如神經(jīng)電生理直接檢測(cè)神經(jīng)元發(fā)放的電信號(hào)，其結(jié)果與鈣成像研究的結(jié)果一致。這些證據(jù)從各個(gè)層面明確了腦內(nèi)沉默神經(jīng)元是真實(shí)存在的。

看上去沉默神經(jīng)元與“全腦共同工作論”是相互矛盾的，但這是在不同的觀察尺度上得出來的不同結(jié)論。一個(gè)是細(xì)胞級(jí)別，一個(gè)是腦區(qū)級(jí)別，而腦區(qū)是包含大量神經(jīng)元的。腦區(qū)就如同社區(qū)，細(xì)胞如同個(gè)人，當(dāng)社區(qū)組織活動(dòng)的時(shí)候，真正行動(dòng)起來的其實(shí)只有少量的積極分子。另外，腦功能核磁是從能量的角度來考慮的，而鈣成像是從離子轉(zhuǎn)運(yùn)角度來衡量的，不可否認(rèn)的是，即使神經(jīng)元不激活，但仍然需要消耗相當(dāng)?shù)哪芰縼砭S持其正常存活。

沉默的神經(jīng)元為什么會(huì)存在？

雖然以上可以解釋“10%腦”與“全腦共同工作”的沖突，但新的問題又出現(xiàn)了，這些沉默神經(jīng)元能發(fā)揮什么樣的作用呢？如果沉默神經(jīng)元沒有功能，又消耗能量，如何保證它們?cè)谶M(jìn)化過程中不會(huì)被淘汰掉呢？

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，沉默神經(jīng)元是被抑制的神經(jīng)元。神經(jīng)元被抑制是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的現(xiàn)象。當(dāng)某個(gè)神經(jīng)元興奮時(shí)，會(huì)對(duì)它附近的其他神經(jīng)元產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用，這種抑制作用可通過激活抑制性中間神經(jīng)元來介導(dǎo)，也可通過這個(gè)興奮的神經(jīng)元直接抑制。這個(gè)過程是主動(dòng)的過程，也是需要消耗能量的。那么神經(jīng)元被抑制有什么生理作用呢？最直觀的解釋是大量的被抑制的神經(jīng)元能提供一個(gè)干凈的信號(hào)背景本底。神經(jīng)元發(fā)出的電信號(hào)是很微弱的，干凈的本底可以使它的信號(hào)凸顯出來，讓神經(jīng)元之間的傳遞更穩(wěn)定可靠。就像在交響樂團(tuán)演奏時(shí)，小提琴獨(dú)奏往往伴隨別的樂器的沉默，以此更能凸顯主題旋律。

沉默神經(jīng)元長(zhǎng)久地保持抑制狀態(tài)，所代表的功能也是長(zhǎng)期被抑制的。這種情況常見于原始的神經(jīng)反射，例如嬰幼兒的吸吮反射等，但在成年之后就被抑制了。這也能解釋為什么進(jìn)化過程沒有淘汰掉這些多余的神經(jīng)元，因?yàn)檫@些原始反射在發(fā)育初期是維持生命所必需的。當(dāng)然，在一定條件下，大量的沉默神經(jīng)元可以轉(zhuǎn)化成活躍狀態(tài)，這個(gè)過程可以形成新的神經(jīng)環(huán)路組合，產(chǎn)生新的腦功能，以適應(yīng)新的環(huán)境。換句話說，大腦有足夠多的后備神經(jīng)元，可以靈活地組建新的神經(jīng)環(huán)路以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。

長(zhǎng)期被抑制的舊有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重新激活可能伴隨著人類神經(jīng)及精神疾病的出現(xiàn)，如自閉癥、精神分裂癥及一些神經(jīng)退行性疾病。研究表明去抑制作用可導(dǎo)致對(duì)應(yīng)皮質(zhì)神經(jīng)元興奮性增加，出現(xiàn)異?；顒?dòng)，進(jìn)而可引起下意識(shí)動(dòng)作或抽搐等行為；皮質(zhì)連接中斷導(dǎo)致的局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去抑制現(xiàn)象可造成皮質(zhì)內(nèi)同步性下降，進(jìn)而導(dǎo)致精神分裂癥等疾病的出現(xiàn)。當(dāng)然，激活特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可能是提高人們智力的有效途徑，有研究對(duì)健康志愿者的特定腦區(qū)進(jìn)行經(jīng)顱磁刺激，選擇性地調(diào)節(jié)其對(duì)其他腦區(qū)的抑制，發(fā)現(xiàn)在不改變正常腦功能的情況下，可以激活分析或藝術(shù)創(chuàng)作能力。還有研究發(fā)現(xiàn)，高級(jí)神經(jīng)環(huán)路的破壞與患神經(jīng)退行性疾病的老年人突然出現(xiàn)對(duì)微積分、音樂、藝術(shù)的興趣有關(guān)。

沉默神經(jīng)元的發(fā)現(xiàn)為我們打開了一扇更深入了解人腦的窗戶，但更多的謎團(tuán)出現(xiàn)了，是什么決定了它們成為沉默的神經(jīng)元？它們由沉默狀態(tài)轉(zhuǎn)化成活躍狀態(tài)需要什么條件？未來可否開發(fā)沉默神經(jīng)元的潛力來治療中風(fēng)、老年癡呆以及精神疾病呢？也許“10%腦”的問題真正的意義是我們只了解了大腦的10%，神經(jīng)科學(xué)家們?nèi)匀蝗沃囟肋h(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

Ovsepian， S. V. （2019）. The dark matter of the brain. Brain Struct Funct， 224（3）： 973-983