沉默的神经元

贺毅

什么是“10%脑”？

长久以来，一直有观点认为“普通人的大脑只使用了10%，剩下90%的大脑处于闲置状态”，如能充分开发人脑将极大提高人们的智力水平。爱因斯坦的大脑开发了20%以上，才可能提出常人难以理解的相对论。著名导演吕克·贝松执导的科幻电影《超体》中也反映了这个概念，女主角机缘巧合最终激活了100%的大脑，变成了无所不能且无处不在的“超体”。那么，这一观点到底对不对呢？

“10%脑”的观点是正确的吗？

上世纪90年代出现的脑功能核磁共振技术给出了明确的否定回答。该技术可以通过检测脑内与氧结合的血红蛋白和脱氧的血红蛋白的比值来衡量耗氧量，进而代表脑功能状态。通过此技术人们发现不少出乎意料的现象，例如，即便是睡眠阶段，大脑的所有部分都处于活动状态；在从事各种脑力活动时使用的也是全部大脑；即使是最简单的思考都需要调动几乎全部脑组织；在完成需要高度集中精神的任务时，虽然导致了特定部分脑区耗能改变，但大脑的总体能量代谢不会明显增强。大量临床病例也证明大脑中几乎不存在损伤后而不影响功能的脑区。因此，以上证据说明大脑作为一个整体来发挥作用，而不存在无用的脑区。

从生物经济学的角度来看，生物总是用最少的资源实现正常的功能。人脑占全身重量的2%，却消耗着全身20%的能量。如此多的能量供给90%的不起作用的脑组织，这是不合理的机制。即使有，在进化过程中也会淘汰掉这部分无用脑。

然而通过实时的神经元钙成像技术却发现了一些有趣的现象。这是一种可以在单细胞尺度精确反映神经元即时活动状态的技术。通过此技术人们发现绝大多数神经元长期处于沉默状态。例如，在大鼠的初级听觉皮层中，只有不到10%的神经元能对声音刺激产生反应。嗅球、初级视皮层、感觉皮层等其他区域也显示了类似的结果。采用其他技术，例如神经电生理直接检测神经元发放的电信号，其结果与钙成像研究的结果一致。这些证据从各个层面明确了脑内沉默神经元是真实存在的。

看上去沉默神经元与“全脑共同工作论”是相互矛盾的，但这是在不同的观察尺度上得出来的不同结论。一个是细胞级别，一个是脑区级别，而脑区是包含大量神经元的。脑区就如同社区，细胞如同个人，当社区组织活动的时候，真正行动起来的其实只有少量的积极分子。另外，脑功能核磁是从能量的角度来考虑的，而钙成像是从离子转运角度来衡量的，不可否认的是，即使神经元不激活，但仍然需要消耗相当的能量来维持其正常存活。

沉默的神经元为什么会存在？

虽然以上可以解释“10%脑”与“全脑共同工作”的冲突，但新的问题又出现了，这些沉默神经元能发挥什么样的作用呢？如果沉默神经元没有功能，又消耗能量，如何保证它们在进化过程中不会被淘汰掉呢？

进一步的研究发现，沉默神经元是被抑制的神经元。神经元被抑制是神经网络中普遍存在的现象。当某个神经元兴奋时，会对它附近的其他神经元产生强烈的抑制作用，这种抑制作用可通过激活抑制性中间神经元来介导，也可通过这个兴奋的神经元直接抑制。这个过程是主动的过程，也是需要消耗能量的。那么神经元被抑制有什么生理作用呢？最直观的解释是大量的被抑制的神经元能提供一个干净的信号背景本底。神经元发出的电信号是很微弱的，干净的本底可以使它的信號凸显出来，让神经元之间的传递更稳定可靠。就像在交响乐团演奏时，小提琴独奏往往伴随别的乐器的沉默，以此更能凸显主题旋律。

沉默神经元长久地保持抑制状态，所代表的功能也是长期被抑制的。这种情况常见于原始的神经反射，例如婴幼儿的吸吮反射等，但在成年之后就被抑制了。这也能解释为什么进化过程没有淘汰掉这些多余的神经元，因为这些原始反射在发育初期是维持生命所必需的。当然，在一定条件下，大量的沉默神经元可以转化成活跃状态，这个过程可以形成新的神经环路组合，产生新的脑功能，以适应新的环境。换句话说，大脑有足够多的后备神经元，可以灵活地组建新的神经环路以适应复杂多变的环境。

长期被抑制的旧有神经网络的重新激活可能伴随着人类神经及精神疾病的出现，如自闭症、精神分裂症及一些神经退行性疾病。研究表明去抑制作用可导致对应皮质神经元兴奋性增加，出现异常活动，进而可引起下意识动作或抽搐等行为；皮质连接中断导致的局部神经网络去抑制现象可造成皮质内同步性下降，进而导致精神分裂症等疾病的出现。当然，激活特定的神经网络也可能是提高人们智力的有效途径，有研究对健康志愿者的特定脑区进行经颅磁刺激，选择性地调节其对其他脑区的抑制，发现在不改变正常脑功能的情况下，可以激活分析或艺术创作能力。还有研究发现，高级神经环路的破坏与患神经退行性疾病的老年人突然出现对微积分、音乐、艺术的兴趣有关。

沉默神经元的发现为我们打开了一扇更深入了解人脑的窗户，但更多的谜团出现了，是什么决定了它们成为沉默的神经元？它们由沉默状态转化成活跃状态需要什么条件？未来可否开发沉默神经元的潜力来治疗中风、老年痴呆以及精神疾病呢？也许“10%脑”的问题真正的意义是我们只了解了大脑的10%，神经科学家们仍然任重而道远。

参考文献

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