大脑“死机”的科学解释

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利维坦按：

学习和记忆是脑的高级功能，是一个相当复杂的生理过程，其神经生物学基础是突触可塑性。突触的传递是谷氨酸及其受体实现的。谷氨酸是一种多功能氨基酸，它处于多种代谢途径的十字路口，不仅参与消化系统和免疫系统，还与大脑健康密切相关。谷氨酸是大脑中最丰富的游离氨基酸，也是大脑主要的兴奋性神经递质。它可以帮助我们说话、处理信息、思考、运动、学习新事物、存储新知识和集中注意力学习等。

我们平时也会发现，长时间过度密集的思考，会让你产生一种筋疲力竭的感受。这种疲劳的感受是怎么产生的呢？以前的理论认为，人们由于精神劳累而产生的疲劳源于能量储备的耗尽。但根据本文的研究，人在执行高脑力任务时产生的疲劳可能源于神经递质谷氨酸的积累。

假如一天里要做一连串很费脑子的工作，它们会让你感到筋疲力尽。在苦思冥想数个小时后，你多半更愿意舒舒服服地看一晚上电视节目，而不是处理待办事项清单上的一项艰巨任务，或是花时间进行创造性的追求。一项新的研究为这种熟悉的现象提供了生物学上的解释：用力思考会导致某些化学物质的积累，而这些化学物质也许会破坏大脑的功能。

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一段时间以来，科学家们始终在竭力为我们精神资源枯竭之谜寻找一个解释。研究人员假设，长时间的高强度脑力劳动会消耗葡萄糖和其他关键资源，而它们能为大脑提供能量。21世纪前十年的早期实验支持了这一观点，即人们在完成一项需要高度认知能力的任务后，血糖会降低，而喝一杯含糖饮料可以提高任务中的表现[1]。

但是随后的研究未能重现这些发现。法国皮提耶-萨尔佩特里尔医院（Pitie-Salpetriere）的认知神经科学家安东尼乌斯·维勒（Antonius Wiehler）说：“假如你把放在一起看，平均来说，（糖分在其中）并没有产生效果。”[2]

此前，在2016年发表的一项研究中[3]，维勒在皮提耶-萨尔佩特里尔医院的同事马蒂亚斯·佩西廖内（Mathias Pessiglione）和他的团队证明，长时间的脑力劳动让人们更倾向于选择立即满足、而不是等待更久后的更大回报（例如，现在拿40美元和两周后拿50美元）。这种行为上的改变伴随着外侧前额叶皮层（LPFC）中的脑活动减少，这一脑区域与诸如决策等认知过程有关。研究结果给研究小组留下了这样一个问题：是什么引起了大脑活动的这种变化？

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为了在新研究中进一步探索这个问题【发表于《当代生物学》（Current Biology）】，佩西廖内、维勒和他们的同事招募了40名志愿者，对早期的成果进行跟踪研究[4]。参与者必须在实验室花费大约六个半小时——约等于一整天的工作时间——完成重复但费脑力的任务。

这其中包括“N-back”任务，它要求个体记住屏幕上出现在N个字母前的那一个字母。研究对象被分成两组：一组被分配到这些任务的困难版本，而另一组被分配到更简单的版本。尽管两组实验对象在经过一整天的实验后都感觉到了相似的疲惫程度，但只有那些接受了更难任务的人更倾向于选择立即拿到奖励，而不是等待过段时间后获得更多的奖金。

为了确定其中发生了什么，研究小组使用了磁共振波谱法，这是一种磁共振成像的形式，使研究人员能够检测大脑中特定化学物质的水平。研究人员发现，那些完成更困难任务的人外侧前额叶皮层中的神经递质谷氨酸浓度高于那些完成简单任务的人。

他们还发现，在任务难度较大的组中，被试的谷氨酸扩散水平也有所提高，表明分子运动得更快——跟据维勒的说法，这意味着这种化学物质在细胞外积累，因而运动受到的限制较少。

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当研究人员观察初级视觉皮层中的谷氨酸时——实验时，这一脑区因其在视觉中的作用同样被激活了——他们并没有发现这样的变化。“很多现有的研究都假设，疲劳的发生是因为你耗尽了某种资源，”英格兰伯明翰大学的认知神经科学家马修·阿普斯（Matthew Apps）并未参与这项研究，他如是评价，“我认为这项研究十分令人兴奋，因为它提出或许存在一种不同的模型，即大脑中物质的积累可能会阻止大脑正常运转，并且也许会导致疲劳对你的行为产生影响。”

阿普斯指出了可能让这些发现在其中发挥作用的部分领域。一个是在工作场所。对于从事需要持续高度集中注意力的工作的人来说，脑力耗尽也许会造成有害的后果，特别是在外科手术这样的领域。在未来，旨在逆转谷氨酸累积的治疗方法或许有助于提高这些个体长时间保持注意力的能力。另一个或许能从中得益的领域是对存在疲劳症状的临床疾病的相关研究，如慢性疲劳综合征。谷氨酸作为一种生物标志物，或许可以解释病人疲惫不堪的原因。

然而，阿普斯补充说，对疲劳的定义仍然是该领域面临的一个挑战。“要论我们测量疲劳的方式以及我们实际上在研究的是什么，有不同的学派。”他说。例如，肉体和精神活动都会让我们精疲力尽，但是这些不同类型的疲劳背后是否是相似的大脑机制仍然是一个悬而未决的问题。

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阿普斯团队的研究表明，它们之间至少存在一些重合之处：在去年发表的一项研究中[5]，科学家们发现，同一大脑区域似乎与体力劳动后的疲劳累积有关。阿普斯说：“很明显，你的肌肉会出现生理疲劳，但是我们不知道它具体在何处，也不确定当大脑中的疲劳达到一定程度时，它是否真的与生理疲劳分离了。”

维勒和他的同事们的新研究表明，疲劳的主观感觉和更客观的、对精神疲劳的测量数据之间可能存在差异，比如研究小组观察到的谷氨酸浓度的变化。伦敦大学学院的神经科学家安娜·库普斯瓦米（Anna Kupuswamy）并未参与这项研究，她对维勒团队发现的疲劳主客观量值之间的区别很感兴趣。

她说，这一发现支持了她和其他人在中风后疲劳或多发性硬化相关性疲劳患者身上所看到的情况，这些患者自我报告的疲劳程度并不总是与疾病的严重程度相匹配。在健康人群中，感知到的疲劳和大脑变化的实际积累之间的这种明显的分离重申了疲劳领域中许多人已经意识到的事实，用库普斯瓦米的话说就是，“没有某个单一的生理因素可以解释对疲劳的感知”。

对维勒来说，还有几个悬而未决的问题。他说，这项新研究的一个局限性在于它只关注了两个特定的大脑区域，因此高强度认知任务对其他脑区域的影响还有待观察。此外，目前尚不清楚为什么谷氨酸在外侧前额叶皮层中的积累会成为问题，也不清楚人们如何在休息后让谷氨酸恢复了平衡。

维勒说，一种可能性是，毒素在睡眠期间从大脑中排出了[6]。“我们还有海量的研究要做。”他补充道。

参考文献：

[1]pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15041139/

[2]pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26617402/

[3]www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1520527113

[4]www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(22)01111-3

[5]www.nature.com/articles/s41467-021-24927-7

[6]www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3880190/

文/Diana Kwon

译/苦山

校对/兔子的凌波微步

原文/www.scientificamerican.com/article/why-thinking-hard-wears-you-out/

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