和手机一样，你的大脑也有“低电量模式”

本文来自微信公众号：神经现实 （ID：neureality），作者：Allison Whitten，编译：无意义先生，原文标题：《大脑陷入“低电量模式”，什么功能先丧失？》，题图来自：《超体》

当我们的手机和电脑没电的时候，显示屏会息屏，这像是一种电子性死亡。但如果调到低电量模式，它们则会暂停不重要的功能以维持基本功能，直到再次充上电。

大脑的运转也需要消耗大量的能量。大脑细胞主要依赖于稳定的葡萄糖运输，通过将其转变为三磷酸腺苷来为信息加工处理提供能量。

即便在我们感到饥饿的时候，大脑也不会改变太多的能量消耗。但因为人类和其他动物都曾在历史上面临过长期或季节性的饥饿，科学家便推测大脑或许也有应对紧急情况的低能量模式。

在一篇1月发表于《神经元》的文章^[1]中，英国爱丁堡大学的纳塔莉·罗什福尔（Nathalie Rochefort）^[2]实验室的神经科学家展现了小鼠视觉系统中的节省能量的技巧。当小鼠连续几周都缺乏足够的食物时，它们将失去15%到20%的一般健康体重。科学家们发现，在这种情况下，小鼠视觉皮层神经元在突触使用的三磷腺苷减少29%。

论文题目：Neocortex saves energy by reducing coding precision during food scarcity

DOI：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.10.024

但新的处理模式也让感知有所受损：它削弱了小鼠分辨细节的能力。由于处于低能量模式的神经元处理视觉信号时更不准确，这些食物受限的小鼠在挑战性的视觉任务中会表现更差。

“我们在这种低能量模式中获得的更像是关于这个世界更模糊的图片。”这项新研究的第一作者扎希德·帕达姆西（Zahid Padamsey）^[3]说到。

这个新研究引发了神经科学家们广泛的兴趣和称赞，包括那些研究与视觉无关，却同样被缺乏能量影响的感知和认知处理过程的神经科学家。这可能对于理解营养不良或者节食如何影响人们对世界的认知有很重要的指示。

这个研究也引出了神经科学研究中广泛的用食物限制来激励动物的问题，以及研究人员对处于次优、低功率状态的神经元的研究，扭曲了对感知和行为的理解的可能性。

爱丁堡大学的博士后研究员Zahid Padamsey主持的这项新研究表明，当小鼠被剥夺足够的食物时间过长时，其视觉系统中的皮质神经元如何陷入“省电模式”。——Courtesy of Nathalie Rochefort

越少的食物，越低的准确度

如果你曾觉得你在饥饿时就无法专注某项任务——或者你只能想到吃的——神经系统的证据能支持你这一行为。几年前的研究证实了短暂的饥饿可以改变神经处理，将我们的注意力放到能帮助我们更快找到食物的方式上。

2016年，在密西根大学的克里斯蒂安·布格斯（Christian Burgess）^[4]和他的同事发现，当小鼠看到一个与食物相关的图片时，它们视觉皮层的一块区域会在它们饥饿的时候显示出更多的神经活动^[5]；在它们进食之后，这种活动会减少。同样，在针对人类的成像研究^[6]中发现，与吃完饭相比，食物的图片会在被试饥饿的时候，唤起某些脑部区域更强的反应。

“无论你是否感到饥饿，碰到你视网膜的光子是一样的。”布格斯说，“但是你大脑中的成像十分不同，因为你有一个你的身体认为你需要的目标，且它会用一种有助于实现那个目标的方式来引导你的注意力。”

但是在超过几个小时的饥饿之后会发生什么？研究人员意识到，大脑可能有办法通过削减其最消耗能量的处理过程来节约能量。

第一个证实这个猜想的证据^[7]来源于2013年的果蝇的微小的大脑。来自法国国家科学研究中心和巴黎市工业物理化学学校的皮埃尔-伊夫·普拉莱和托马斯·普瑞特^[8]发现当果蝇处于饥饿状态时，大脑中一个十分消耗能量，形成长期记忆所需要的回路会关闭。

当他们强制激活这一回路来形成记忆时，饥饿的果蝇死的快很多，这暗示了关掉这一过程会节省能量和存续它们的生命。

然而，哺乳动物更大，认知上更高级的大脑是否会做出相似的事还是未知的。我们也不清楚它们是否会像果蝇一样在饥饿之前就进入节省能量的模式。我们有理由认为可能不会：如果用于神经处理的能量被太快地减弱，动物寻找和识别食物的能力可能会受损。

这篇新的论文首次揭示了一旦食物长期短缺（但并非完全不存在）很长一段时间后，大脑是如何适应以节省能量的。

爱丁堡大学神经科学教授Nathalie Rochefort认为，新观察到的食物短缺时皮质神经元如何运作的变化可能影响学习和记忆过程。——Courtesy of Nathalie Rochefort

在长达三周的时间内，研究人员限制了小鼠可获得的食物，直到他们失去了15%的体重。小鼠并没有挨饿：事实上，研究人员在实验之前喂了它们，以避免布格斯和其他研究组所看到的短期饥饿导致的神经改变。但是小鼠也没有得到它们所需要的那么多的能量。

接下来，研究人员开始“偷听”小鼠神经元之间的交流。他们测量了当小鼠观看不同方向的黑色条纹图片时，视觉皮层的一些神经元发送出的电压尖峰（voltage spikes）——神经元用于交流的电子信号——的数量。处于主要视觉皮层的不同神经元会在面对偏好方向的线条时发放信号。例如，如果一个神经元偏好的角度是90度，那么当视觉刺激的元素角度为90度或接近90度时，它将发出更多频繁的尖峰，但当角度变大或变小时，发放率便会显著下降。

神经元只会在它们的内部电压达到了一个阀值时发送一个尖峰，即将正钠离子送入细胞。但是尖锋之后，神经元需要将所有的钠离子再运输回去——这是神经科学家们在2001年发现^[9]的大脑内最消耗能量的过程。

食物匮乏时，新皮层通过降低编码精度来节省能量——https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.10.024

作者们研究这个消耗能量的过程以期寻找到节省能量技巧的证据，结果显示这是正确的研究方向。在缺乏食物的小鼠中的神经元会减少在它们的膜之间移动的电流——以及进入的钠离子的数量——这样它们就不需要花太多能量在尖峰之后将钠离子送回去。我们预期更少的钠会导致更少的尖峰，但是通过某种方式，缺少食物的小鼠可以在它们的视觉皮层的神经元中维持一个与正常小鼠相似的神经发放率。于是研究者们转而寻找保持这一发放率的补偿性过程。

他们发现了两个能让神经元更快发放的改变。首先神经元增加了输入的电阻，降低了到达它们突触时的电流。他们也提升了静息电位，使其已经接近发送尖峰信号所需的阈值。

“看起来大脑花了很多力气来维持发射率。”西雅图艾伦脑科学研究所的计算神经学家安东·阿尔希波夫（Anton Arkhipov）^[10]说到。“并且这也告诉了我们维持这些发射率有多重要。”不管怎么说，大脑完全可以简单的通过发射更少的尖峰来节约能量。

但保持一样的发放率意味着在别处有所牺牲：小鼠的视觉皮层神经元无法针对性地选择让它们发放的线条方向，所以它们的回应会变的更不准确。

低分辨率的视野

为了检测视觉感知是否受到神经元精确度降低的影响，研究人员将小鼠放一个有两个过道的水下房间里，每个过道由白色背景上有角度的黑条组成的不同图像标记。其中一个过道含有一个隐藏的可供小鼠逃出水下的通道。小鼠学会了将隐藏的通道和一个带有特定角度的条纹的图片联系起来，但是研究人员可以通过让减少角度差来提高找到任务的难度。

当正确和错误的图片间区别很大时，缺乏食物的小鼠可以轻易地找到暗道。但当角度差别小于10度时，缺乏食物的小鼠突然就不再能像正常进食的小鼠一样准确的区分了。节约能量的结果就是低清的世界。

这些结果表明了大脑会优先考虑那些对生存最重要的功能。识别出条纹10度的角度区别，可能对找到附近的水果或者看到接近的捕猎者并不重要。

人们都没想到这些感知上的受损，远远发生在动物进入真正的饥饿之前。“这绝对出乎我的意料。”杜克大学的一位研究视觉的神经科学家林赛·格里克菲尔德（Lindsey Glickfeld）^[11]说，“视觉系统找到了这种方式，用对感知任务完成能力的相对轻微的改变，来实现大量的能量使用的降低。”

对于现在来说，这项研究只确切地告诉我们，哺乳动物可以在视觉皮层神经元中打开节约能量的机制。“有可能这一机制并不适用于例如嗅觉这样的感知中。”罗什福尔说到。但是她和她的同事们认为这很可能在其他皮层区域也或多或少发生。

其他的研究人员也这么认为。“总的来说，在不同皮层区域的神经元几乎一样地运转。”一个在宾夕法尼亚大学研究听觉处理的神经科学家玛丽亚·格芬（Maria Geffen）^[12]说到。她预期能量节省会对所有的感官造成同样的影响，提升对生命体最重要的活动，降低其他活动。

“我们在大部分的时间不会将我们的感官用到极致。”格芬说到。“这取决于行为需要，大脑一直在调整。”

幸运的是，任何出现的模糊感都不是永久的。当研究人员给小鼠一剂瘦素*，她们发现了能将低能量模式打开和关闭的开关。神经元恢复到以高精确度回应它们倾向的方向，同样的认知缺陷也不见了——这些都是在小鼠没有任何进食的情况下。

*译者注：身体用以调节能量平衡和饥饿程度的激素。

“当我们提供瘦素时，我们可以欺骗大脑到能恢复正常皮层运行的程度。”罗什福尔说道。

因为瘦素是被脂肪细胞释放的，科学家们认为它们在血液中的存在，很可能是给大脑发送动物处于食物很充足的环境和不需要储存能量的信号。新的研究表明，较低量的瘦素会警示大脑身体缺乏营养的状态，将大脑调到低能量模式。

“这是出人意料的满意结果。”伦敦弗朗西斯·克里克研究所的神经科学家朱莉娅·哈里斯（Julia Harris）^[13]说到，“有这样一个漂亮的、与现存证据如此一致的发现，非同寻常。”

食物匮乏时，新皮层通过降低编码精度来节省能量——https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.10.024

扭曲了神经科学？

这些新发现的一大重要意义是，我们知道的关于大脑和神经元如何运行的大量知识，可能是从研究人员不明智地放入低能量模式的大脑中习得的。限制小鼠和其他实验动物在实验前可获得的食物长达几周是是非常普遍的，包括在实验中用于激励它们完成任务来获得食物奖赏（否则，动物经常会直接坐着）。

“这些研究带来了非常深远的影响——它阐明了食物限制会影响大脑运行的事实。”罗什福尔说。我们观察到的电离子流动的改变，可能对学习和记忆的过程至关重要。她认为，因为这些过程依赖于突触处发生的具体变化。

“我们必须要仔细地考虑我们如何设计实验，以及如果我们想要询问动物感知或者神经元的敏感程度，我们如何理解实验。”格里克菲尔德说到。

这些结果还提出了全新的问题，即其他生理状态和激素信号如何影响大脑，以及血液中不同水平的激素是否会导致个体对世界的看法略有不同。

三只小鼠——Freepik

哥本哈根大学的一个神经科学家鲁内·阮拉·苏穆森（Rune Nguyen Rasumussen）^[14]强调，人们在瘦素和整体的新陈代谢系统上都是不同的。“这是否意味着，即使是我们人与人之间的的视觉感知——尽管我们可能并未意识到——也是不同的呢？”

苏穆森提醒到，这个问题没有足够的证据，仍是有争议的。小鼠有意识的视觉感知似乎很可能受到食物剥夺的影响，因为这些感知的神经元表征和动物的行为都发生了变化。然而，我们并不能确切地知道，“因为这要求动物能向我们描述其视觉体验，而很明显它们做不到。”苏穆森说到。

但目前为止，我们也没有理由认为老鼠的视觉皮层神经元触发的低电量模式和其对认知的影响，不会发生在人类和其他哺乳动物上。

格里克菲尔德说，“我认为这些机制对神经元至关重要。”

参考文献

1.https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(21)00839-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627321008394%3Fshowall%3Dtrue

2.https://discovery-brain-sciences.ed.ac.uk/our-staff/research-groups/nathalie-rochefort

3.https://discovery-brain-sciences.ed.ac.uk/our-staff/postdoc-researchers/zahid-padamsey

4.https://medicine.umich.edu/dept/molecular-integrative-physiology/christian-burgess-phd

5.https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(16)30417-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627316304172%3Fshowall%3Dtrue

6.https://psycnet.apa.org/doiLanding?doi=10.1037%2F0735-7044.115.2.493

7.https://www.science.org/doi/10.1126/science.1226018

8.https://www.bio.espci.fr/-Thomas-Preat-Pierre-Yves-Placais-Energy-Memory-

9.https://journals.sagepub.com/doi/10.1097/00004647-200110000-00001

10.https://alleninstitute.org/what-we-do/brain-science/about/team/staff-profiles/anton-arkhipov/

11.https://www.neuro.duke.edu/research/faculty-labs/glickfeld-lab

12.https://www.med.upenn.edu/apps/faculty/index.php/g329/p8404062

13.https://www.crick.ac.uk/research/find-a-researcher/julia-harris

14.https://ctn.ku.dk/employees/?pure=en/persons/393579

原文：https://www.quantamagazine.org/the-brain-has-a-low-power-mode-that-blunts-our-senses-20220614/

本文来自微信公众号：神经现实 （ID：neureality），作者：Allison Whitten，编译：无意义先生