腦神經的無用之用

腦神經的無用之用
知識通訊評論第120期

神經科學近年的主流思維，是探索人類某些工作與腦部某些活動的關聯性。但是腦部即使在不工作的休息狀態，也保持著一定活動的事實，不但挑戰了工作與腦部活動關聯的主流思維，也深刻顯現出人類腦部機制的複雜性。

對於自願參加實驗者來說，腦部掃描實驗並不是件輕鬆的差事。研究人員通常會要求受測者要做點什麼事情；比方說解數學題、尋找記憶中看過的臉孔或是想著最喜歡的政治領袖，同時觀察他們做這些事情時的腦部反應。

休息狀態大腦活動，可以整合從正常活動中累積的記憶或吸收的資訊。

但過去幾年間，有些研究人員已開始認為無須全然遵循此種研究標準程序。雖然受測者仍要躺在功能性磁振造影（fMRI）掃描器中，但研究人員會要求受測者試著放空心思，目的是要看看大腦閒置時，會發生什麼狀況。結果卻是，有很多事情發生。

大腦中有些迴路必須一直保持活動狀態，因為他們控制著人體的自律功能，像是呼吸及心跳等。但在人類思索伙食採買清單、重新處理對話及只是做白日夢時，大腦的其他大部分區域仍持續工作。大腦如此活動型態，一般稱之為休息狀態，神經科學家已經找到證據，顯示在此狀態下和從事活動狀態下的腦部神經網路，看起來非常相似。

如果有任何指標可以衡量休息狀態中腦部使用能量的數量，就可突顯出休息狀態活動的重要性。在休息狀態中腦部的血流量，比在腦部從事活動實驗中，通常只少了百分之五到百分之十。研究休息狀態的大腦應有助於找出積極活動的大腦是如何運作。研究休息狀態神經網路，有利於比對出大腦的內在連結，例如解讀大腦不同區域之間，那些區域常有互相對話的情形，人類罹患疾病時，這些對話模式又會有何種差異。

但是所有大腦的活動究竟為何產生？若要神經科學家，即使是專門研究休息狀態的神經科學家回答這個問題，他們之中許多人的反應，會是搖頭嘆息或聳肩表達不知道答案。加拿大蒙特婁市麥吉爾大學腦部影像專家舒繆爾（Amir Shmuel）表示，「有關這方面的研究，我們還在初始階段，大部分的論點僅只是假說」。休息狀態大腦活動，可能會讓連結在大腦不用時持續運作。又或者休息狀態大腦活動，可能有助於支持大腦對未來刺激產生反應，或者是維持通常會合作完成一件工作的大腦不同區域間的連繫。休息狀態大腦活動，甚至可以整合從正常活動中累積的記憶或吸收的資訊。

史丹福大學神經科學家葛瑞休斯（Michael Greicius）指出，「對於休息狀態大腦活動的研究，各界躍躍欲試殷殷企盼，但是這方面的基礎知識卻很貧乏」。

保持活動性

依據一九九○年代中期進行的一系列實驗結果，首次結論大腦從來不會真正休息。密爾瓦基威斯康辛醫學院博士生畢斯瓦爾（Bharat Biswal） ，曾試著找出能夠鑑別及排除fMRI掃描產生背景訊號的方法，希望藉此提升對所得到訊號的解讀力。畢斯瓦爾目前在紐澤西理工學院擔任生物醫學工程師，他表示，「我們原來假設這些訊號都是雜訊。」但是他觀察受測者休息狀態接受掃描的訊號，卻顯示與平常一樣、低度波動頻率的腦波擾動。畢斯瓦爾的實驗認為那些擾動是神經元活動所造成。

在研究大腦休息狀態活動的早期，有些人認為已有了重大發現。葛瑞休斯表示，「我第一次研究這些網路時，我十分確信我們已經開始解答有關人類意識的一連串迷團，而且這是一個即時、持續進行的認知過程。但是，我很快就領悟到這種看法是錯誤的」。後續研究顯示，在像是睡眠或麻醉等其他狀態下，活動的神經網路也會出現，所以這些網路活動不必然與認知過程相關。

神經元間的連結關係會隨著年齡增長及知識學習而持續改變，但大腦仍有辦法維持自我認知。

但是這並不表示對神經網路研究不具任何意義。畢斯瓦爾發表他發現後過了幾年，有關腦部休息狀態的研究如雨後春筍般一一出現。由聖路易華盛頓大學神經科學家瑞可（Marcus Raichle）帶領的研究團隊，將此類網路中的活動定義為大腦的預設模式，他們將之視為基礎設定。他們觀察到人們開始從事活動，預設模式的活動度其實會下降，但在大腦不再那麼集中注意力時，預設模式活動度又回到平常水準。

除了預設模式網路，還有數十個其他類型的休息狀態神經網路也出現了；有些像是主管注意力、視力、聽力或移動力的迴路。從不同的研究受測者結果看來，這些網路都很相似，卻具有動態、隨時間不斷改變的特性。兒童心智研究所腦部發展中心主任密爾漢（Michael Milham）表示，「從這些網路總是存在卻又具變化性的現象，可以推論出一定有其重要性。」

不過，有些研究人員質疑這些休息樣態是否真能代表實際狀況。畢竟fMRI雖能監測腦部血流狀態，卻無法直接衡量大腦電位活動。低度閒置活動可能是人為錯認的觀察結果。在法國國家健康及醫學研究院認知神經影像中心擔任研究主任的克連施密特（Andreas Kleinschmidt）指出，「有人懷疑研究使用的掃描器功能太差，或者根本就是雜訊。」但是克連施密特的研究團隊使用fMRI及腦電波（EEG） 紀錄，結果確認不同的休息狀態神經網路，都與神經的真實活動有關。

舒缪爾及美國家心智健康研究所神經生理學家里歐柏（David Leopold）也共同進行類似的研究，觀察猴子的休息狀態，將探針植入牠們的視皮質深處，以紀錄腦部的電位活動。

他們發現休息狀態神經網路與頻率約為四十赫茲的電位活動間，呈現相關性。這樣的活動與相距遠的腦部區域間的溝通有關，此項結果讓舒缪爾深信，休息狀態神經網路代表著實際的腦部活動，他表示，「我堅信必定存在一個神經物理機制，足以控制我們所稱的休息狀態神經網路」。

混淆的思維

腦部思維混淆時，這種神經生理機制可能會出錯。例如，老人癡呆症初期患者的異常休息狀態徵兆，即使僅有極輕微的失智，也很容易被偵測出，且隨著病症的惡化，異常休息狀態徵兆也會有所變化。就患有泛自閉症候群的孩童而言，休息狀態神經網路可能有「超連結狀況」，比沒患自閉症的小孩呈現出更多的連結。造成此種差異的原因未明，但醫生或許根本不在乎，因為他們只對找出疾病標記感到興趣。密爾漢指出，「從醫師診療的觀點，並非都有辦法去了解每種生物標記被採用的原因。」但是有些神經科學家對於生物標記的相關變化卻十分好奇，德州大學健康科學中心的艾爾摩（Timothy Ellmore），目前正從事帕金森氏症患者休息狀態大腦活動的研究，他表示，「我對這個問題很感興趣，熬夜研究樂此不疲」。

有些研究人員認為，休息狀態神經網路會驅動大腦對刺激的反應力。克連施密特表示，「此系統並非閒置在那裡不做任何事。」此網路中的往復活動，或許有助於大腦運用過去經驗來下決策。服務於聖路易華盛頓大學的柯貝塔（Maurizio Corbetta）認為，「大腦對於估算要如何處理任何在進行中的事情，其計算的精密度超出你的想像」。柯貝他運用一種衡量與神經元電位活動有關磁場的技術，也就是腦磁波儀，對休息狀態進行研究了一段時間，他指出，「如果我有辦法找出持續態樣，可以預測我的人生接下來會發生什麼，那麼我將不需要花腦筋估算任何事」。他將此種活動比擬為處於閒置狀態的汽車，「如果你的車引擎已發動只是閒置著，你可以馬上開走快速離開，不必要再發動引擎。」

「如果有任何指標可以衡量休息狀態中腦部使用的能量，就可突顯出休息狀態活大腦動的重要性。」

閒置神經網路不僅能節省時間，也可能在不自覺的情況下影響感官。克連施密特及其同事進行一項實驗，要求受測者注視著一張圖片（圖樣可能被解讀為一張臉孔或一個花瓶）並且掃描其腦部，回答看到臉孔的人，其腦部專司處理臉部影像的認臉腦區，比起看到圖片前，顯出較自發性的活動。克連施密特推論，大腦內部為接收外在世界的資訊，一直備有幾個模型，可以隨時將模型轉換成真實狀態，因此他認為，「在理想狀態下，你對面對接下來要發生的事都已有萬全準備。」

柯貝塔從研究腦部受損病患中發現，休息狀態大腦活動會改變行為。在這個尚未發表的研究中，他發現證據顯示，若有中風等疾病造成前腦區域的損害，可能同時引發其他相距較遠腦部區域的變化。此外，跡象顯示休息狀態大腦活動的改變與行為缺陷有關聯，他表示，「這些證據足以說明，休息狀態受損，會影響腦部處理工作神經網路的運作方式。」

禪及神經網路維護的藝術

研究團隊使用fMRI及腦電波(EEG) 紀錄，確認不同的休息狀態神經網路，都與神經的真實活動有關。

瑞可相當認同休息狀態的大腦活動，有助於大腦維持有系統運作的看法。神經元間的連結關係，會隨著人們年齡增長及知識學習而持續改變，但是人類在經歷大變動時仍有辦法維持自我認知。在維持那種持續性上，自發活動可能具有相當功能。瑞可指出，「神經元間的連結關係，可能在幾分鐘、幾小時、幾天或幾星期內改變，明天的腦部結構雖不同於今天，不過，我們仍然不會忘記自己是誰。」

或許這些大腦活動是這些行塑過程的一部分，大腦閒置時就會微調相關連結。有些研究團隊已發現，在語言及記憶工作及運動學習，休息狀態的連結性會產生變化。英國伯明罕大學腦部行為科學家米歐（Chris Miall）及其同事的研究指出，腦部休息時的自發活動，會被剛發生的事物所擾亂，該研究團隊對處理休息狀態的受測者的腦部進行掃描，之後要求他們從事一項活動，學習運用操縱桿追蹤移動標靶。當這些受測者完成活動處於休息狀態時，研究人員再次掃描他們的腦部，結果顯示在休息狀態神經網路有運動學習效果。依據該項研究及後續進行的相關調查，米歐下結論，「腦部不只會想著今天晚餐要吃什麼，也會處理最近剛發生的資訊，將部分轉換成長期記憶。網路會針對腦部所從事的工作而改變。」

「如果你的車引擎已發動只是閒置著，你可以馬上開走快速離開，不必要再發動引擎。」

在動物身上所做有關記憶整合的研究，也支持米歐的結論。過去人們總以為，對於白天從事活動的記憶，經過一夜睡眠後會增強。然而，根據加州大學舊金山分校神經科學家法蘭克（Loren Frank）及卡爾森（Mattias Karlsson）對老鼠研究結果，發現腦部只要一有機會就會進行重播及整合新記憶，即使不是在睡眠中。法蘭克表示，「外表看來這些受測動物好像沒做什麼事，但是牠們的腦部就是有在做事。」

法蘭克因此推論，休息狀態大腦活動可能也在人類大腦中做著同樣的事情；重新啟動與過去經驗相關的模式。在此同時，網路中的活動也發揮了正常化以及清掃垃圾的功能。法蘭克認為「如何讓腦部保持彈性」是一個疑問，他表示，「如果你的神經網路充斥著隨機模式的活動，將有助於降低與你新進學習事物有關神經系統傳導的強度，如此會防止腦部過於頻繁的強化同樣的神經系統傳導。或許休息時段的存在是相當重要的。」

舒缪爾認為「那些活動是保持腦部活動力一個副產品」的看法，目前尚不可能釐清。他表示，「電流會流經這些迴路，可能單純是因為存在電流，大腦未死以及存有解剖上的連結造成電流形成了非隨機結構。但是，這並不是我想看到的事實，如果結果真是這樣，那麼就太令人失望了。」

由於休息狀態科學的既存特性，造成假說檢定相當困難，所以要將科學家想證實可能結果的範圍縮小，恐怕還要花上好些時日。如果研究人員將受測者推進掃描儀，指導他們腦中不要刻意想著事情，因為沒有事情存在，所以也沒有什麼假設可提出。

研究人員要在這條研究路上繼續走下去，必須做出大量資料並提出相關檢定假設。密爾漢承認，由於自己被訓練成為一個受假定驅動的認知神經科學家，因而對此充滿熱忱，他說，「休息狀態大腦活動開啟了發現科學，在承認這個事實之前，我看起來好像被異端邪說迷惑住了。」

米歐坦率地表示，「不論休息狀態大腦活動到底在做什麼，它的存在證明了一件事，那就是人類的大腦只在死後才會真正休息。」