当人什么都不做的时候，大脑在做什么？ 杨钒，认知神经科学专业博士在读 看到这个问题，普通读者的第一反应会是：人都在休息了，那么大脑肯定也在休息呗。二十一世纪以前的科学家们多数也是这么认为的。当时对大脑的功能存在两个观点，一种是大脑是反应性的（reflexive），大脑活动是对内外界环境的即时需求做出的反应（即大脑没有任务的时候就在休息）；另一种观点认为大脑的活动是内在的、固有的（intrinsic），包括保持信息以对信息做出解释和反应，及预测环境的需求（即大脑从不休息）。 然而随着神经成像技术的进步，第二种观点成为了目前的主流。正电子发射断层扫描（PET）和功能性核磁共振成像（fMRI）技术的发展可以让我们观察到大脑在不同状态下的新陈代谢水平和脑血流量的变化（这两个指标与能量消耗有关）。结果发现，大脑虽然只占体重的 2%，却要消耗 20% 的能量，而且由于环境需要引起的能量消耗只占其中的 5%。即在无外界刺激的条件下，大脑仍要消耗大量能量。 从神经生理的角度上说，约有 60% 到 80% 的大脑能量消耗用于神经元及相关细胞之间的信息传递，神经元间的信号传递主要是在突触中完成的，然而有研究表明，在大脑中仅有 10% 的突触用来处理来自外部世界信息。这一结果进一步印证了大脑能量消耗的主要来源不是由外界刺激引起的。 那么这些能量都用到哪里去了呢？关于大脑的内在活动的研究仍在进行当中，目前可以推断的是其中一大部分的能量用在维持功能相似的脑区之间的信息传递。下面是相关的研究结果。 1、fMRI 研究发现，大脑中存在一个默认状态网路（default mode network, DMN），这个网络在休息状态下是持续激活的，但是在任务状态下它的活性却比休息状态下低。Raichle（2001）认为这个网络当中的扣带后回和楔前叶持续性的收集我们身边的信息，但是当需要完成任务的时候，这种广泛的信息收集就被消减了。这两个脑区接收到信息需要在内侧前额皮层中接受评估以确定这些信息的重要性，所以内侧前额皮层在休息状态也是激活的。也就是说，人们即使是在“无任务状态（静息态）”时，大脑也会随时接受并评估周围的信息，以及时面对即将到来的危险（具有进化意义）。 2、通过功能连接性研究发现（fMRI 研究的一种分析方法：通过脑区之间的活性变化的相关性来衡量这些脑区是否能构成一个功能相似网络，见下图 B，C。图片来自 Raichle，2011），除了 DMN 之外，静息态大脑中还存在一些其它功能相关的脑区组成的脑网络（见下图 D）。且这些脑网络与相关任务状态下激活的脑网络是一致的。这一结果表明静息态的脑功能连接也许能帮助人们在任务状态下更好的完成任务，静息态的这种大脑活动模式可能是一种准备状态。 3、上述这些脑区网络甚至在无意识状态下（麻醉状态和睡眠早期）也是存在的，这也从侧面证明了这一内在活动与潜意识、白日梦无关。 4、这些脑区网络内的连接性强弱与经验、年龄以及疾病有关。相关经验甚至是行为表现都与相应的脑区网络的连接强度成正相关，Di（2012）研究发现专业羽毛球运动员静息态的小脑功能连接和额 - 顶控制网络功能连接比普通人强，这与运动员平衡能力和手眼协调能力的增强有关。另外大脑的功能连接性随着个体进入老年期而下降，且 DMN 连接异常被证实是老年痴呆症的主要特征之一。 5、Finn （2015）的研究非常炫酷，该研究发现虽然人类的大脑网络是大致相同的，但是个体的大脑激活模式中有部分是特异于其他人的。这一特异性甚至可以当作“指纹”来用。该研究的数据来自与人类大脑连接组计划（the Human Connectome Project），这份数据中有 126 个被试的 2 次静息态（R1，R2）以及 4 个不同任务态（WM，工作记忆；Mt，运动任务；Lg，语言任务；Em，情绪任务）下的大脑功能连接性数据（下图 a）。该研究结果是：给予计算机任一状态下单个被试大脑的功能连接性矩阵，计算机都可以在其它状态下的矩阵数据库中找出这个被试（准确率在 54% 到 94% 之间，R1 中找 R2 或者 R2 中找 R1 准确率最高）。除此之外，该研究还发现大脑连接状态还与个体的认知行为表现甚至流体智力有关。 总结：即使人在什么都不做的情况下，大脑也没有在休息，大脑中的功能网络仍然保持着它们固有的功能连接性并消耗了大量的能量，且功能连接性的强弱与个体的认知行为表现有关。可以预见的是，通过足够的训练可以改变大脑网络的功能连接性。 参考文献： Di X, Zhu S, Jin H, Wang P, Ye Z, Zhou K, Zhuo Y, Rao H. (2012). Altered resting brain function and structure in professional badminton players. Brain Connect, 2(4), 225-233. doi: 10.1089/brain.2011.0050 Finn, E. S., Shen, X., Scheinost, D., Rosenberg, M. D., Huang, J., Chun, M. M., ... & Constable, R. T. (2015). Functional connectome fingerprinting: identifying individuals using patterns of brain connectivity. Nature neuroscience. Raichle, M. E. , MacLeod, A. M. , Snyder, A. Z. , Powers, W. J., Gusnard, D. A., & Shulman, G. L. (2001). A default mode of brain function. Proc Natl Acad Sci U S A, 98(2), 676-682. Raichle ME. (2011). The restless brain. Brain Connect, 1(1), 3-12. doi: 10.1089/brain.2011.0019 更多讨论，查看 知乎圆桌 · 认知解码 查看知乎原文
