沉默的神經元

賀毅

什么是“10%腦”？

長久以來，一直有觀點認為“普通人的大腦只使用了10%，剩下90%的大腦處于閑置狀態”，如能充分開發人腦將極大提高人們的智力水平。愛因斯坦的大腦開發了20%以上，才可能提出常人難以理解的相對論。著名導演呂克·貝松執導的科幻電影《超體》中也反映了這個概念，女主角機緣巧合最終激活了100%的大腦，變成了無所不能且無處不在的“超體”。那么，這一觀點到底對不對呢？

“10%腦”的觀點是正確的嗎？

上世紀90年代出現的腦功能核磁共振技術給出了明確的否定回答。該技術可以通過檢測腦內與氧結合的血紅蛋白和脫氧的血紅蛋白的比值來衡量耗氧量，進而代表腦功能狀態。通過此技術人們發現不少出乎意料的現象，例如，即便是睡眠階段，大腦的所有部分都處于活動狀態；在從事各種腦力活動時使用的也是全部大腦；即使是最簡單的思考都需要調動幾乎全部腦組織；在完成需要高度集中精神的任務時，雖然導致了特定部分腦區耗能改變，但大腦的總體能量代謝不會明顯增強。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。因此，以上證據說明大腦作為一個整體來發揮作用，而不存在無用的腦區。

從生物經濟學的角度來看，生物總是用最少的資源實現正常的功能。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，這是不合理的機制。即使有，在進化過程中也會淘汰掉這部分無用腦。

然而通過實時的神經元鈣成像技術卻發現了一些有趣的現象。這是一種可以在單細胞尺度精確反映神經元即時活動狀態的技術。通過此技術人們發現絕大多數神經元長期處于沉默狀態。例如，在大鼠的初級聽覺皮層中，只有不到10%的神經元能對聲音刺激產生反應。嗅球、初級視皮層、感覺皮層等其他區域也顯示了類似的結果。采用其他技術，例如神經電生理直接檢測神經元發放的電信號，其結果與鈣成像研究的結果一致。這些證據從各個層面明確了腦內沉默神經元是真實存在的。

看上去沉默神經元與“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論。一個是細胞級別，一個是腦區級別，而腦區是包含大量神經元的。腦區就如同社區，細胞如同個人，當社區組織活動的時候，真正行動起來的其實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運角度來衡量的，不可否認的是，即使神經元不激活，但仍然需要消耗相當的能量來維持其正常存活。

沉默的神經元為什么會存在？

雖然以上可以解釋“10%腦”與“全腦共同工作”的沖突，但新的問題又出現了，這些沉默神經元能發揮什么樣的作用呢？如果沉默神經元沒有功能，又消耗能量，如何保證它們在進化過程中不會被淘汰掉呢？

進一步的研究發現，沉默神經元是被抑制的神經元。神經元被抑制是神經網絡中普遍存在的現象。當某個神經元興奮時，會對它附近的其他神經元產生強烈的抑制作用，這種抑制作用可通過激活抑制性中間神經元來介導，也可通過這個興奮的神經元直接抑制。這個過程是主動的過程，也是需要消耗能量的。那么神經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元能提供一個干凈的信號背景本底。神經元發出的電信號是很微弱的，干凈的本底可以使它的信號凸顯出來，讓神經元之間的傳遞更穩定可靠。就像在交響樂團演奏時，小提琴獨奏往往伴隨別的樂器的沉默，以此更能凸顯主題旋律。

沉默神經元長久地保持抑制狀態，所代表的功能也是長期被抑制的。這種情況常見于原始的神經反射，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化過程沒有淘汰掉這些多余的神經元，因為這些原始反射在發育初期是維持生命所必需的。當然，在一定條件下，大量的沉默神經元可以轉化成活躍狀態，這個過程可以形成新的神經環路組合，產生新的腦功能，以適應新的環境。換句話說，大腦有足夠多的后備神經元，可以靈活地組建新的神經環路以適應復雜多變的環境。

長期被抑制的舊有神經網絡的重新激活可能伴隨著人類神經及精神疾病的出現，如自閉癥、精神分裂癥及一些神經退行性疾病。研究表明去抑制作用可導致對應皮質神經元興奮性增加，出現異常活動，進而可引起下意識動作或抽搐等行為；皮質連接中斷導致的局部神經網絡去抑制現象可造成皮質內同步性下降，進而導致精神分裂癥等疾病的出現。當然，激活特定的神經網絡也可能是提高人們智力的有效途徑，有研究對健康志愿者的特定腦區進行經顱磁刺激，選擇性地調節其對其他腦區的抑制，發現在不改變正常腦功能的情況下，可以激活分析或藝術創作能力。還有研究發現，高級神經環路的破壞與患神經退行性疾病的老年人突然出現對微積分、音樂、藝術的興趣有關。

沉默神經元的發現為我們打開了一扇更深入了解人腦的窗戶，但更多的謎團出現了，是什么決定了它們成為沉默的神經元？它們由沉默狀態轉化成活躍狀態需要什么條件？未來可否開發沉默神經元的潛力來治療中風、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%，神經科學家們仍然任重而道遠。

參考文獻

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