“我的腦子一片空白”、“大腦停止了轉動(dòng)”，如果你還在用這樣的語(yǔ)言形容自己發(fā)呆時(shí)的情形，那就大錯特錯了：神經(jīng)成像研究發(fā)現，當我們休息或發(fā)呆時(shí)，大腦中始終存在著(zhù)一些神秘的“背景”神經(jīng)活動(dòng)。更讓人驚訝的是，當我們有意識做事時(shí)，大腦耗能量卻僅為“背景活動(dòng)”的 1/20。這些看不見(jiàn)的神經(jīng)活動(dòng)，就是“大腦暗能量”。

       你躺在屋外的搖椅上打盹兒，腿上放著(zhù)一本雜志。突然，一只蒼蠅停在胳膊上，你拿起雜志去拍它。在蒼蠅停在你身上之后，你的大腦里發(fā)生了什么？在停下來(lái)之前呢？長(cháng)期以來(lái)，神經(jīng)科學(xué)家一直認為，人在休息時(shí)，大腦中的神經(jīng)回路基本處于關(guān)閉狀態(tài)。從這個(gè)意義上說(shuō)，此時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)屬于“隨機噪聲”，就像沒(méi)收到信號的電視機顯示的雪花狀圖案。而當蒼蠅停在你的胳膊上時(shí)，大腦恢復意識，準備執行“拍蠅任務(wù)”。但神經(jīng)成像研究揭示了一個(gè)完全不一樣的事實(shí)：當人們躺著(zhù)休息時(shí)，大腦并未閑著(zhù)，很多重要的神經(jīng)活動(dòng)仍在進(jìn)行。

       現已證實(shí)，當我們的大腦在休息時(shí)——比如坐在椅子上發(fā)呆、躺在床上睡覺(jué)，或接受了**，各個(gè)腦區之間仍在不停地傳遞信息。這種不間斷的信息傳遞被稱(chēng)作大腦的默認模式，它所消耗的能量是我們拍打蒼蠅，或有意識地對其他外在刺激作出反應時(shí)所耗能量的 20 倍。實(shí)際上，我們有意識去做的大多數事件，比如吃飯和演講等，都是對大腦默認模式下基準神經(jīng)活動(dòng)的背離。

       理解大腦默認模式的關(guān)鍵，是要找到此前不為人知的大腦系統——默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（default mode network，DMN）。在組織神經(jīng)活動(dòng)的過(guò)程中，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )到底發(fā)揮了怎樣的作用，現在仍在研究當中，但我們知道，大腦在形成記憶，組織其他各種需要為未來(lái)事件做準備的神經(jīng)系統時(shí)，可能就是采用默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預先設定好的方式。

       在使腦區行為同步方面，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )可能也發(fā)揮了重要作用——讓各個(gè)腦區就像賽跑運動(dòng)員一樣，在發(fā)令槍打響的那一剎那，都處于合理的“預備”狀態(tài)。如果默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )確實(shí)在為大腦的有意識活動(dòng)做準備，那么研究這個(gè)網(wǎng)絡(luò )的行為，也許能讓科學(xué)家找到一些線(xiàn)索，揭示意識體驗的本質(zhì)。另外，神經(jīng)科學(xué)家還推測，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )遭到破壞，可能會(huì )引起**錯亂，以及從阿爾茨海默病到抑郁癥的一系列復雜大腦疾病。

       尋找暗能量

       “大腦始終處于活躍狀態(tài)”并非新觀(guān)點(diǎn)。腦電圖的發(fā)明者漢斯·伯格（Hans Berger）就是這個(gè)觀(guān)點(diǎn)的支持者。1929 年，他在一系列開(kāi)創(chuàng )性論文中，根據儀器檢測到的不間斷腦電波推測，“中樞神經(jīng)系統始終處于相當活躍的狀態(tài)，而不僅僅是在人們清醒的時(shí)候”。

       但伯格關(guān)于大腦如何工作的觀(guān)點(diǎn)一直沒(méi)有引起科學(xué)界的重視，甚至在非侵害性成像技術(shù)成為神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗室的常規手段后仍是如此。上世紀 70 年代末，正電子斷層掃描技術(shù)（PET）問(wèn)世，它可以測量大腦中的葡萄糖代謝率、血流量和氧攝取量，在一定程度上，這些指標能反映大腦的神經(jīng)活動(dòng)水平；1992 年，功能性磁共振成像技術(shù)（fMRI）誕生，通過(guò)測量大腦耗氧量，它也能幫助科學(xué)家實(shí)現同樣的目的。盡管這些技術(shù)都不僅限于測量大腦活動(dòng)，但大多數實(shí)驗設計都在無(wú)意間給人留下了這樣一個(gè)印象：大部分腦區平常都很“安靜”，直到需要執行某項具體任務(wù)時(shí)才會(huì )活躍起來(lái)。

       一般來(lái)說(shuō)，在做成像實(shí)驗時(shí)，神經(jīng)科學(xué)家都會(huì )想方設法地確定，產(chǎn)生特定知覺(jué)或與某種行為相關(guān)的是哪些腦區。而找到這些腦區的方式，就是在兩種相關(guān)狀態(tài)下，直接比較大腦活動(dòng)有何不同。為此，研究者需要消除對照組大腦成像圖上的內容。在這種情況下，大腦的基本活動(dòng)，也就是始終存在的“背景”神經(jīng)活動(dòng)都會(huì )被消除。以這種方式得到的實(shí)驗結果很容易讓人認為，只有在執行特定任務(wù)時(shí)，大腦的“開(kāi)關(guān)”才被打開(kāi)，而在其他時(shí)候，大腦都處于非活躍狀態(tài)。

       人們在休息或發(fā)呆時(shí)，大腦里面到底發(fā)生了什么？本世紀初，我們和其他一些研究小組對這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了極大的興趣，因為多項研究都暗示，在這種狀態(tài)下，大腦中存在一定程度的背景活動(dòng)。

       只需對大腦成像圖進(jìn)行肉眼觀(guān)測，就能找到大腦背景活動(dòng)存在的證據：無(wú)論來(lái)自對照組還是試驗組，大腦成像圖總是顯示，多個(gè)腦區都處于相當忙碌的狀態(tài)。由于都存在背景“噪聲”，通過(guò)肉眼觀(guān)察原始圖像，我們幾乎不可能從兩類(lèi)大腦成像圖上找出差別，而要完成這一任務(wù)，只有利用計算機進(jìn)行精密的圖片分析。

       進(jìn)一步分析發(fā)現，在執行特定任務(wù)時(shí)，大腦消耗能量的上升幅度不會(huì )超過(guò)基礎神經(jīng)活動(dòng)的 5%。在神經(jīng)回路中，大部分神經(jīng)活動(dòng)都與外部事件無(wú)關(guān)，這些活動(dòng)消耗的能量占大腦總消耗能量的 60%～80%。因此我們借鑒天文學(xué)家的說(shuō)法，把這些固定存在的神經(jīng)活動(dòng)稱(chēng)為大腦的暗能量——正如看不見(jiàn)的暗能量占據了宇宙中物質(zhì)能量的絕大多數。

       我們推測大腦暗能量可能存在的另一個(gè)理由是，研究發(fā)現只有極少的感官信息能夠真正抵達大腦的中樞處理區域。視覺(jué)信息從眼睛傳向視覺(jué)皮層的過(guò)程中，信號強度會(huì )大幅衰減。

       我們周?chē)嬖跓o(wú)數信息，每秒約有上百億比特的信息抵達視網(wǎng)膜，但與之相連的視覺(jué)輸出神經(jīng)連接只有 100 萬(wàn)個(gè)，每秒鐘視網(wǎng)膜傳向大腦的信息只有 600 萬(wàn)比特，最終能到達視覺(jué)皮層的信息只有 1 萬(wàn)比特。

       經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，視覺(jué)信息才能進(jìn)入負責產(chǎn)生意識知覺(jué)的腦區。令人驚訝的是，最終形成意識知覺(jué)的信息每秒鐘不足 100 比特。如果這些是大腦所能利用的全部信息，如此少的信息量顯然不大可能形成知覺(jué)，因此固定存在的大腦神經(jīng)活動(dòng)必定在此過(guò)程中發(fā)揮了某種作用。

       神經(jīng)突觸的數量也暗示大腦暗能量可能存在。突觸是神經(jīng)元間的連接點(diǎn)。在視覺(jué)皮層中，負責傳遞視覺(jué)信息的突觸數量還不到全部突觸的 10%。因此，大部分突觸肯定是用于建立視覺(jué)皮層內部神經(jīng)元間的聯(lián)系。

       探索大腦默認模式

       上述與大腦內部活動(dòng)相關(guān)的線(xiàn)索已得到證實(shí)，但這些內部活動(dòng)的生理功能以及它們如何影響知覺(jué)和行為，仍須進(jìn)一步研究。幸運的是，在正電子斷層掃描研究中，一個(gè)偶然而又令人困惑的發(fā)現，把我們推上了大腦默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的探索之旅。這一發(fā)現后來(lái)還得到了功能性磁共振成像的證實(shí)。

       上世紀 90 年代中期，我們意外發(fā)現，受試者執行某種任務(wù)時(shí)，特定腦區的活躍程度會(huì )低于休息時(shí)的基準水平。當其他腦區執行特定任務(wù)（如大聲朗讀）時(shí)，這些腦區的活躍程度也會(huì )下降，尤其是內側頂葉皮層（位于大腦中部，負責記憶人們生活中的私人事件）上的部分區域。這是一個(gè)讓人費解的現象，我們把活躍程度下降最多的區域稱(chēng)為“內側謎樣頂葉區”（medial mysteryparietal area，簡(jiǎn)稱(chēng) MMPA）。

       此后的一系列正電子斷層掃描實(shí)驗證實(shí)，大腦在無(wú)意識狀態(tài)下絕非處于“閑置狀態(tài)”。實(shí)際上，包括內側謎樣頂葉區在內的大多數腦區一直都很活躍，直到大腦開(kāi)始執行某一特定任務(wù)時(shí)，一些腦區固有的神經(jīng)活動(dòng)水平才會(huì )有所下降。最初，我們的研究曾遭到質(zhì)疑。1998 年，我們的一篇相關(guān)論文甚至被退稿，因為一位審稿專(zhuān)家指出，我們得出神經(jīng)活動(dòng)水平下降的結論可能源于實(shí)驗數據有誤。不過(guò)，其他科學(xué)家在針對內側頂葉皮層和內側前葉皮層（負責推測他人想法，并與自身情緒狀態(tài)有關(guān)）的研究中，也得出了與我們一致的結果。現在，這兩個(gè)腦區都被認為是默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的重要組成區域。

       默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)現，讓我們可以從另一個(gè)角度思考大腦的固有神經(jīng)活動(dòng)。在此之前，神經(jīng)生理學(xué)家從未把組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的腦區看作是一個(gè)系統，因為在過(guò)去的大腦成像實(shí)驗中，他們都忽略了這樣一個(gè)現象：大腦在休息狀態(tài)下，多個(gè)腦區之間可能都有相互聯(lián)系。那么，是否只有默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中，腦區之間才有這種相互聯(lián)系？還是說(shuō)這種休息狀態(tài)下的神經(jīng)聯(lián)系在大腦里普遍存在？在分析大腦磁共振成像圖時(shí)，一個(gè)驚人的發(fā)現把我們帶到了通往問(wèn)題答案的路口。

       功能性磁共振信號通常是指血氧水平依賴(lài)信號，因為這種成像方式依賴(lài)于大腦血管血流改變引起的氧含量變化。在靜息狀態(tài)下，各個(gè)腦區的血氧水平依賴(lài)信號會(huì )緩慢波動(dòng)，大約每 10 秒完成一個(gè)周期。如此緩慢的波動(dòng)曾被認為只不過(guò)是“噪聲”，因此為了更好地反映執行特定任務(wù)時(shí)的大腦活動(dòng)，儀器檢測到的這些“噪聲”信號會(huì )直接從大腦成像圖中消除。

       到了 1995 年，從大腦成像圖上消除低頻“噪聲”信號的做法受到了質(zhì)疑——當時(shí)，美國威斯康星醫學(xué)院的巴拉特·比斯沃爾（Bharat Biswal）和同事發(fā)現，即便受試者靜止不動(dòng)，控制右手運動(dòng)的腦區中的“噪聲”波動(dòng)，也與對側控制左手的腦區中的神經(jīng)活動(dòng)是同步的。本世紀初，美國斯坦福大學(xué)的邁克爾·格雷丘斯（Michael Greicius）和合作者發(fā)現，當受試者處于休息狀態(tài)時(shí)，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中也存在類(lèi)似的同步波動(dòng)。

       由于科學(xué)家對默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )在大腦中的作用越來(lái)越感興趣，格雷丘斯等人的發(fā)現猶如一顆投向湖面的石子，引起了全球實(shí)驗室（包括我們實(shí)驗室）的注意，科學(xué)家紛紛開(kāi)始進(jìn)行大腦成像研究，所有的“噪聲”信號（即重要大腦系統的固有神經(jīng)活動(dòng)）都被記錄下來(lái)。結果發(fā)現，即使在全身**和淺度睡眠期間，受試者大腦內的固有神經(jīng)活動(dòng)都會(huì )表現出明顯的同步性，暗示這些神經(jīng)活動(dòng)不單單是“噪聲”，而應該是大腦運行方式的某個(gè)基礎方面。

       上述發(fā)現清楚地說(shuō)明，盡管默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的作用很重要，但它只是大腦固有神經(jīng)活動(dòng)的一部分，大腦中所有系統都具有這樣的默認模式。在我們實(shí)驗室，默認模式在大腦中廣泛存在的現象，是我們首次測定名為皮層慢電位的大腦電活動(dòng)時(shí)發(fā)現的，而這種慢電位的形成，源于神經(jīng)元群每 10 秒放一次電。我們的研究證明，血氧水平依賴(lài)信號與皮層慢電位的波動(dòng)周期恰好吻合，換句話(huà)說(shuō)，兩種不同的實(shí)驗方法都檢測到了同一種大腦活動(dòng)。

       接下來(lái)，我們開(kāi)始研究皮層慢電位與其他神經(jīng)電信號建立聯(lián)系有何作用。正如伯格首次提出，后來(lái)得到無(wú)數科學(xué)家證實(shí)的那樣，大腦信號的頻率范圍很廣，從低頻的皮層慢電位到每秒波動(dòng)超過(guò)100次的信號都有。神經(jīng)科學(xué)面臨的一個(gè)重大挑戰，就是弄清楚不同頻率的信號如何發(fā)生相互作用。

       研究證實(shí)，皮層慢電位具有非常重要的作用。我們和其他科學(xué)家的研究都表明，頻率高于皮層慢電位的電活動(dòng)可以和皮層慢電位發(fā)生同步振動(dòng)。

       這就像演奏交響樂(lè )一樣，各種樂(lè )器發(fā)出的聲音都按同一節奏交織在一起，而皮層慢電位就是指揮家手中的指揮棒。不同的是，演奏交響樂(lè )只要掌握好各種樂(lè )器的發(fā)聲時(shí)間即可，神經(jīng)信號則須協(xié)調每個(gè)大腦系統從海量的記憶和其他信息中讀取所需數據——這些信息都是我們在這個(gè)復雜且不斷變化的世界上生存所必需的。皮層慢電位的存在，能保證數據讀取過(guò)程在和諧的環(huán)境下和準確的時(shí)間點(diǎn)上正確進(jìn)行。

       但大腦要比交響樂(lè )團復雜得多。每個(gè)具有獨立功能的大腦系統，比如控制視覺(jué)活動(dòng)和控制肌肉運動(dòng)的系統，都有自己的皮層慢電位發(fā)放模式。由于每個(gè)系統都不相同，因此有效地避免了混亂。各個(gè)系統的電信號發(fā)放也有先后之分，排在最前面的，就是默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，它就像一個(gè)總指揮，保證各個(gè)系統發(fā)出的電信號不會(huì )相互干擾。大腦具有這種組織方式并不奇怪，因為大腦并非相互獨立的神經(jīng)系統集群，而是由各個(gè)相互聯(lián)系的系統組成的聯(lián)盟。

       與此同時(shí)，這些復雜的固有神經(jīng)活動(dòng)有時(shí)必須給外界需求讓步。為了實(shí)現這種調節，當我們由于新的或意外的感覺(jué)信息輸入大腦（比如開(kāi)車(chē)回家的路上，突然記起要買(mǎi)盒牛奶回去）而需要保持警覺(jué)時(shí)，默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的皮層慢電位會(huì )有所減弱。但在需要集中精力處理的事情做完以后，皮層慢電位又會(huì )恢復至原有水平。我們的大腦每時(shí)每刻都在努力維持既定反應和即時(shí)需求反應之間的動(dòng)態(tài)平衡。

       意識和疾病

       默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)起伏，讓我們有機會(huì )窺探大腦最深處的秘密。它已經(jīng)讓科學(xué)家對意識活動(dòng)的基本組成——注意力的本質(zhì)有了新的認識。2008 年，一個(gè)跨國研究小組報道稱(chēng)，通過(guò)監測默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，他們可以提前 30 秒預測接受掃描的受試者會(huì )不會(huì )在一個(gè)計算機測試中犯錯——如果默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制了大腦，注意力相關(guān)腦區的神經(jīng)活動(dòng)減弱，受試者就會(huì )犯錯。

       未來(lái)，大腦暗能量或許會(huì )提供有關(guān)意識本質(zhì)的線(xiàn)索。大多數神經(jīng)科學(xué)家承認，我們對外界的意識反應只占大腦活動(dòng)的一小部分。在意識層面之下，那些神秘的大腦活動(dòng)（如大腦暗能量）起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用，正是因為它們提供了非常豐富的背景內容，我們才能透過(guò)“狹小”的意識窗口體驗到大千世界的存在。

       除了揭示日常意識活動(dòng)背后的大腦機制，研究大腦暗能量或許還能為我們提供一個(gè)全新的角度去審視重大神經(jīng)疾病。將來(lái)，不必進(jìn)行頭腦體操或復雜運動(dòng)就可以完成這些疾病的診斷。病人只需要靜靜地呆在掃描儀內，讓默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和其他腦區的暗能量按自己的節奏運行即可。

       這類(lèi)研究已為疾病分析開(kāi)拓了新的思路。大腦成像研究已經(jīng)發(fā)現，在阿爾茨海默病、抑郁癥、自閉癥和**分裂癥患者的默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )內，腦細胞之間的連接已發(fā)生改變。實(shí)際上，阿爾茨海默病將來(lái)可能被歸為默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相關(guān)疾病。在大腦成像圖上，阿爾茨海默病患者的病變腦區與組成默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的腦區完全吻合。這一模式不僅可作為診斷阿爾茨海默病的生物學(xué)標志，還有助于我們深入了解疾病成因，尋找治療方法。

       未來(lái)，科學(xué)家必須要弄清楚兩個(gè)問(wèn)題：在細胞水平上，各個(gè)大腦系統內部及其之間的協(xié)作性神經(jīng)活動(dòng)如何實(shí)現；默認模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )如何促使化學(xué)和電信號在神經(jīng)回路間傳遞。我們還需要一個(gè)新理論，用于整合來(lái)自細胞、神經(jīng)回路、神經(jīng)系統等各層面的數據，從而更全面地描述作為大腦暗能量主要組織者的大腦默認模式究竟如何工作。隨著(zhù)時(shí)間的流逝，我們將完全揭示大腦暗能量的本質(zhì)，弄清楚它到底有哪些生理功能。