你剛剛結(jié)束了一天的疲憊工作回到家，只想抬起雙腳，隨便看點(diǎn)電視放空自己。雖然這種不動(dòng)的狀態(tài)感覺像是應(yīng)得的休息，但其實(shí)你的大腦并沒有真的“放空”。根據(jù)最新研究，它在你放松時(shí)消耗的能量，幾乎和你緊張工作時(shí)差不多。

澳大利亞蒙納士大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家沙娜·賈馬達(dá)（Sharna Jamadar）和她的同事們，綜合了她所在實(shí)驗(yàn)室以及全球其他研究團(tuán)隊(duì)的研究成果，估算了“認(rèn)知的代謝成本”（metabolic cost of cognition）——也就是大腦運(yùn)行到底需要多少能量。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)，專注、有目標(biāo)的思考任務(wù)，比休息狀態(tài)下的大腦活動(dòng)僅多消耗大約5%的能量。換句話說，即使我們?cè)趯Ｐ乃伎紩r(shí)，大腦的能耗也只比“待機(jī)”狀態(tài)高出一點(diǎn)點(diǎn)。

我們常覺得集中注意力、深入思考很費(fèi)腦力，好像消耗了很多能量。但這項(xiàng)新研究支持了一個(gè)正在發(fā)展的觀點(diǎn)：大腦的主要功能其實(shí)是“維持運(yùn)轉(zhuǎn)”。過去，很多神經(jīng)科學(xué)研究重點(diǎn)放在外顯的認(rèn)知活動(dòng)上，比如注意力、解決問題、工作記憶、決策等。但現(xiàn)在越來越清楚的是，在這些顯性的思維之下，大腦的“后臺(tái)”其實(shí)一直在高度活躍。它負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)身體的主要生理系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)配資源來應(yīng)對(duì)內(nèi)外環(huán)境的變化，不管是我們有意識(shí)還是無意識(shí)的反應(yīng)。

美國東北大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家喬丹·特里奧（Jordan Theriault）指出（他沒有參與這項(xiàng)新研究）：“人們總覺得大腦是用來思考的，但從代謝角度看，它的大部分功能其實(shí)是用來管理身體的——調(diào)控器官之間的協(xié)調(diào)，運(yùn)作這個(gè)高成本的系統(tǒng)，以及應(yīng)對(duì)復(fù)雜的外部環(huán)境?！?/p>

大腦并不僅僅是一個(gè)“認(rèn)知機(jī)器”，而是演化塑造出的產(chǎn)物，因此也受到生物體“能源預(yù)算”限制的約束。所以，思考讓你覺得累，并不一定是因?yàn)槟阏娴哪芰亢谋M了，而是因?yàn)槲覀冊(cè)谘莼^程中學(xué)會(huì)了節(jié)約資源。這項(xiàng)對(duì)大腦代謝的研究，結(jié)合大腦電活動(dòng)的動(dòng)態(tài)研究，揭示了我們認(rèn)知能力的局限、范圍和效率，是如何受到不同演化力量共同影響的。

預(yù)測(cè)引擎的代價(jià)

人類大腦的“運(yùn)轉(zhuǎn)成本”極其高昂。雖然它只占體重的大約2%，卻消耗了人體約20%的能量資源。對(duì)于嬰兒來說，這個(gè)數(shù)字甚至接近50%。

大腦所需的能量，主要來自一種叫做三磷酸腺苷（ATP）的分子。細(xì)胞通過葡萄糖和氧氣合成ATP。大腦中分布著密密麻麻的微小毛細(xì)血管，總長度估計(jì)約400英里，它們把富含葡萄糖和氧氣的血液輸送到神經(jīng)元和其他腦細(xì)胞中。ATP在細(xì)胞內(nèi)合成后，用于為神經(jīng)元之間的通訊提供能量，這些通訊構(gòu)成了大腦的各項(xiàng)功能。神經(jīng)元將電脈沖傳送到突觸在那里細(xì)胞之間通過分子信號(hào)進(jìn)行交流；電信號(hào)的強(qiáng)度決定神經(jīng)元是否會(huì)釋放這些信號(hào)分子（即“激活”）。如果激活，這個(gè)分子信號(hào)就會(huì)傳遞到下一個(gè)神經(jīng)元，如此接力下去。而保持所謂的“膜電位”——即神經(jīng)元膜兩側(cè)的穩(wěn)定電壓狀態(tài)，以便隨時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)信號(hào)——已知就占據(jù)了大腦總能量預(yù)算的一半以上。

直接測(cè)量人腦中的ATP是非常侵入性的操作。因此，賈馬達(dá)的團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中回顧了包括他們自己在內(nèi)的多個(gè)研究成果，使用間接方式來估算能耗——比如通過正電子發(fā)射斷層掃描（PET）來測(cè)量葡萄糖消耗，通過功能性磁共振成像（fMRI）來監(jiān)測(cè)腦部血流。賈馬達(dá)指出，當(dāng)PET和fMRI同時(shí)使用時(shí)，可以提供關(guān)于大腦如何消耗葡萄糖的互補(bǔ)信息。雖然這不能完全覆蓋大腦的能耗情況，因?yàn)樯窠?jīng)組織還可以將某些氨基酸轉(zhuǎn)化為ATP，但大腦中絕大多數(shù)ATP的確是通過葡萄糖代謝產(chǎn)生的。

賈馬達(dá)的分析結(jié)果顯示，當(dāng)大腦執(zhí)行任務(wù)時(shí)，所需能量只比靜息狀態(tài)多出約5%。當(dāng)我們進(jìn)行一項(xiàng)費(fèi)力且有目標(biāo)的任務(wù)時(shí)，比如在一個(gè)陌生城市查看公交時(shí)刻表，與該任務(wù)相關(guān)的大腦區(qū)域（如視覺和語言處理區(qū)域）中的神經(jīng)元會(huì)更頻繁地“發(fā)射”信號(hào)。這部分額外的神經(jīng)活動(dòng)，占據(jù)了那額外的5%能量；而剩下的95%，其實(shí)是大腦維持“基本運(yùn)行”的常規(guī)能耗。

研究人員目前還無法精確知道大腦的“基礎(chǔ)負(fù)荷”到底是如何分配的，但在過去幾十年中，他們逐漸揭示了大腦在“后臺(tái)”到底在做什么。賈馬達(dá)表示：“大約在1990年代中期，我們這個(gè)領(lǐng)域開始意識(shí)到，即使一個(gè)人靜靜地躺著、并沒有明確執(zhí)行任何任務(wù)時(shí)，大腦其實(shí)也有很多活動(dòng)在進(jìn)行。我們過去把這些‘非任務(wù)相關(guān)’的持續(xù)活動(dòng)當(dāng)作噪聲，但現(xiàn)在我們知道，那些‘噪聲’中其實(shí)包含了大量有意義的信號(hào)。”

這些“信號(hào)”中很大一部分來自所謂的“默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)”，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)在我們休息或表面上看起來沒有從事任何活動(dòng)時(shí)運(yùn)作。它與我們?cè)陬^腦中穿梭于過去、現(xiàn)在和未來的思維體驗(yàn)有關(guān)——比如今晚晚餐要做什么、上周的某個(gè)回憶、或者你髖部的一點(diǎn)酸痛感。此外，在我們意識(shí)之下，大腦還在持續(xù)追蹤并維持身體內(nèi)部的各種“生理參數(shù)”——體溫、血糖、心率、呼吸等——這些都必須維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)（稱為內(nèi)穩(wěn)態(tài)），以維持生命。一旦這些指標(biāo)偏離太遠(yuǎn)，身體很快就可能出問題。

特里奧推測(cè)，大腦的大部分基礎(chǔ)代謝能量其實(shí)是用于“預(yù)測(cè)”。為了維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，大腦必須時(shí)刻為下一步做好準(zhǔn)備——也就是說，它需要持續(xù)構(gòu)建一個(gè)對(duì)環(huán)境的精密模型，并預(yù)測(cè)外部變化會(huì)如何影響身體系統(tǒng)。他指出，與其說大腦是“反應(yīng)式”的，不如說它是“預(yù)測(cè)式”的：通過預(yù)測(cè)，大腦才能更高效地分配資源，幫助身體應(yīng)對(duì)變化。

大腦的演化限制

大腦在思考時(shí)所需能量?jī)H比靜息狀態(tài)高出5%，聽起來似乎不多，但考慮到整個(gè)身體和大腦本身的高能耗，這點(diǎn)增加加起來也是不小的負(fù)擔(dān)。再想到我們祖先在資源極度有限的環(huán)境中生活，現(xiàn)代人在忙碌一天后感到疲憊，也就顯得格外合理了。

神經(jīng)科學(xué)家扎希德·帕達(dá)姆西（Zahid Padamsey）指出：“你感到疲憊，就像運(yùn)動(dòng)之后會(huì)累一樣，并不是因?yàn)槟阏娴臎]有足夠的熱量去‘支付’這些活動(dòng)，而是因?yàn)槲覀兊南到y(tǒng)在演化上就非?！邌荨?/strong>……我們是在資源貧乏的環(huán)境中演化出來的，所以本能上抗拒能量的消耗。”

今天的世界對(duì)很多人來說熱量獲取相對(duì)容易，這與智人誕生時(shí)的匱乏環(huán)境形成鮮明對(duì)比。而那5%的能量提升，如果每天都在高強(qiáng)度專注任務(wù)中維持，僅僅20天就會(huì)消耗相當(dāng)于整整一天的認(rèn)知能量。對(duì)我們的祖先來說，如果食物難找，這可能就是生與死的區(qū)別。

帕達(dá)姆西說：“如果你不控制這個(gè)能耗，長期下來會(huì)是一筆不小的負(fù)擔(dān)，因此我認(rèn)為，這很大程度上是我們演化遺產(chǎn)的一個(gè)‘殘跡’?！笔聦?shí)上，大腦內(nèi)部就設(shè)有機(jī)制來防止過度消耗?！爱?dāng)能耗過高時(shí)，你就會(huì)啟動(dòng)疲勞機(jī)制，限制進(jìn)一步消耗?！?/p>

為了更深入理解這種能量限制，帕達(dá)姆西在2023年總結(jié)了關(guān)于神經(jīng)信號(hào)傳遞中一些“非直覺”的現(xiàn)象，這些研究顯示，大腦在演化過程中有節(jié)能的傾向。舉個(gè)例子，你可能會(huì)以為傳遞信息越快越好，但實(shí)際上，大腦的信息傳輸速度遠(yuǎn)低于人們的預(yù)期，這是因?yàn)檫@樣做更節(jié)能。

理論上神經(jīng)元發(fā)射電信號(hào)的極限頻率可以達(dá)到500赫茲，但如果真的以這個(gè)速度傳輸信息，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)被“淹沒”而癱瘓。實(shí)際上，神經(jīng)元在信息還可辨別的前提下的最優(yōu)傳輸速率是250赫茲。

但現(xiàn)實(shí)中，我們的神經(jīng)元平均發(fā)射速率僅約為4赫茲，比理論最佳速率低了50到60倍。不僅如此，很多突觸傳遞其實(shí)并未成功進(jìn)行：即使電信號(hào)已經(jīng)傳到突觸，并激活了它準(zhǔn)備釋放化學(xué)分子到下一個(gè)神經(jīng)元，它最終真正釋放這些分子的幾率也只有大約 20%。

這是因?yàn)槲覀兊难莼繕?biāo)并不是傳遞盡可能多的信息。帕達(dá)姆西說：“我們?cè)谘莼^程中將每單位的能量傳遞效率最大化?！薄@完全是另一種計(jì)算方式。也就是說，大腦追求的是用最少的能量傳遞最多的信息（每個(gè)ATP對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)）。在這種策略下，神經(jīng)元的最佳放電頻率其實(shí)不到 10赫茲。

從演化角度看，人類的大腦在復(fù)雜性和靈活性上達(dá)到了前所未有的高度，但這也是以巨大的能量成本為代價(jià)的。如何在大腦的高智能潛力與生物系統(tǒng)的能量限制之間找到平衡，這正是我們大腦運(yùn)行機(jī)制、專注后疲勞感來源、以及大腦維持生命功能背后的一整套“動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)”。而大腦在如此有限的資源下還能完成這么多任務(wù)，確實(shí)令人驚嘆。

作者：Conor Feehly

譯者：EY

https://www.quantamagazine.org/how-much-energy-does-it-take-to-think-20250604/