你刚刚结束了一天的疲惫工作回到家，只想抬起双脚，随便看点电视放空自己。虽然这种不动的状态感觉像是应得的休息，但其实你的大脑并没有真的“放空”。根据最新研究，它在你放松时消耗的能量，几乎和你紧张工作时差不多。
澳大利亚蒙纳士大学的神经科学家沙娜·贾马达（Sharna Jamadar）和她的同事们，综合了她所在实验室以及全球其他研究团队的研究成果，估算了“认知的代谢成本”（metabolic cost of cognition）——也就是大脑运行到底需要多少能量。令人惊讶的是，他们发现，专注、有目标的思考任务，比休息状态下的大脑活动仅多消耗大约5%的能量。换句话说，即使我们在专心思考时，大脑的能耗也只比“待机”状态高出一点点。
我们常觉得集中注意力、深入思考很费脑力，好像消耗了很多能量。但这项新研究支持了一个正在发展的观点：大脑的主要功能其实是“维持运转”。过去，很多神经科学研究重点放在外显的认知活动上，比如注意力、解决问题、工作记忆、决策等。但现在越来越清楚的是，在这些显性的思维之下，大脑的“后台”其实一直在高度活跃。它负责调节身体的主要生理系统，自动调配资源来应对内外环境的变化，不管是我们有意识还是无意识的反应。
美国东北大学的神经科学家乔丹·特里奥（Jordan Theriault）指出（他没有参与这项新研究）：“人们总觉得大脑是用来思考的，但从代谢角度看，它的大部分功能其实是用来管理身体的——调控器官之间的协调，运作这个高成本的系统，以及应对复杂的外部环境。”
大脑并不仅仅是一个“认知机器”，而是演化塑造出的产物，因此也受到生物体“能源预算”限制的约束。所以，思考让你觉得累，并不一定是因为你真的能量耗尽了，而是因为我们在演化过程中学会了节约资源。这项对大脑代谢的研究，结合大脑电活动的动态研究，揭示了我们认知能力的局限、范围和效率，是如何受到不同演化力量共同影响的。
预测引擎的代价
人类大脑的“运转成本”极其高昂。虽然它只占体重的大约2%，却消耗了人体约20%的能量资源。对于婴儿来说，这个数字甚至接近50%。
大脑所需的能量，主要来自一种叫做三磷酸腺苷（ATP）的分子。细胞通过葡萄糖和氧气合成ATP。大脑中分布着密密麻麻的微小毛细血管，总长度估计约400英里，它们把富含葡萄糖和氧气的血液输送到神经元和其他脑细胞中。ATP在细胞内合成后，用于为神经元之间的通讯提供能量，这些通讯构成了大脑的各项功能。神经元将电脉冲传送到突触在那里细胞之间通过分子信号进行交流；电信号的强度决定神经元是否会释放这些信号分子（即“激活”）。如果激活，这个分子信号就会传递到下一个神经元，如此接力下去。而保持所谓的“膜电位”——即神经元膜两侧的稳定电压状态，以便随时准备响应信号——已知就占据了大脑总能量预算的一半以上。
直接测量人脑中的ATP是非常侵入性的操作。因此，贾马达的团队在这项研究中回顾了包括他们自己在内的多个研究成果，使用间接方式来估算能耗——比如通过正电子发射断层扫描（PET）来测量葡萄糖消耗，通过功能性磁共振成像（fMRI）来监测脑部血流。贾马达指出，当PET和fMRI同时使用时，可以提供关于大脑如何消耗葡萄糖的互补信息。虽然这不能完全覆盖大脑的能耗情况，因为神经组织还可以将某些氨基酸转化为ATP，但大脑中绝大多数ATP的确是通过葡萄糖代谢产生的。
贾马达的分析结果显示，当大脑执行任务时，所需能量只比静息状态多出约5%。当我们进行一项费力且有目标的任务时，比如在一个陌生城市查看公交时刻表，与该任务相关的大脑区域（如视觉和语言处理区域）中的神经元会更频繁地“发射”信号。这部分额外的神经活动，占据了那额外的5%能量；而剩下的95%，其实是大脑维持“基本运行”的常规能耗。
研究人员目前还无法精确知道大脑的“基础负荷”到底是如何分配的，但在过去几十年中，他们逐渐揭示了大脑在“后台”到底在做什么。贾马达表示：“大约在1990年代中期，我们这个领域开始意识到，即使一个人静静地躺着、并没有明确执行任何任务时，大脑其实也有很多活动在进行。我们过去把这些‘非任务相关’的持续活动当作噪声，但现在我们知道，那些‘噪声’中其实包含了大量有意义的信号。”
这些“信号”中很大一部分来自所谓的“默认模式网络”，这个网络在我们休息或表面上看起来没有从事任何活动时运作。它与我们在头脑中穿梭于过去、现在和未来的思维体验有关——比如今晚晚餐要做什么、上周的某个回忆、或者你髋部的一点酸痛感。此外，在我们意识之下，大脑还在持续追踪并维持身体内部的各种“生理参数”——体温、血糖、心率、呼吸等——这些都必须维持在一个稳定的状态（称为内稳态），以维持生命。一旦这些指标偏离太远，身体很快就可能出问题。
特里奥推测，大脑的大部分基础代谢能量其实是用于“预测”。为了维持体内稳态，大脑必须时刻为下一步做好准备——也就是说，它需要持续构建一个对环境的精密模型，并预测外部变化会如何影响身体系统。他指出，与其说大脑是“反应式”的，不如说它是“预测式”的：通过预测，大脑才能更高效地分配资源，帮助身体应对变化。
大脑的演化限制
大脑在思考时所需能量仅比静息状态高出5%，听起来似乎不多，但考虑到整个身体和大脑本身的高能耗，这点增加加起来也是不小的负担。再想到我们祖先在资源极度有限的环境中生活，现代人在忙碌一天后感到疲惫，也就显得格外合理了。
神经科学家扎希德·帕达姆西（Zahid Padamsey）指出：“你感到疲惫，就像运动之后会累一样，并不是因为你真的没有足够的热量去‘支付’这些活动，而是因为我们的系统在演化上就非常‘吝啬’……我们是在资源贫乏的环境中演化出来的，所以本能上抗拒能量的消耗。”
今天的世界对很多人来说热量获取相对容易，这与智人诞生时的匮乏环境形成鲜明对比。而那5%的能量提升，如果每天都在高强度专注任务中维持，仅仅20天就会消耗相当于整整一天的认知能量。对我们的祖先来说，如果食物难找，这可能就是生与死的区别。
帕达姆西说：“如果你不控制这个能耗，长期下来会是一笔不小的负担，因此我认为，这很大程度上是我们演化遗产的一个‘残迹’。”事实上，大脑内部就设有机制来防止过度消耗。“当能耗过高时，你就会启动疲劳机制，限制进一步消耗。”
为了更深入理解这种能量限制，帕达姆西在2023年总结了关于神经信号传递中一些“非直觉”的现象，这些研究显示，大脑在演化过程中有节能的倾向。举个例子，你可能会以为传递信息越快越好，但实际上，大脑的信息传输速度远低于人们的预期，这是因为这样做更节能。
理论上神经元发射电信号的极限频率可以达到500赫兹，但如果真的以这个速度传输信息，整个系统会被“淹没”而瘫痪。实际上，神经元在信息还可辨别的前提下的最优传输速率是250赫兹。
但现实中，我们的神经元平均发射速率仅约为4赫兹，比理论最佳速率低了50到60倍。不仅如此，很多突触传递其实并未成功进行：即使电信号已经传到突触，并激活了它准备释放化学分子到下一个神经元，它最终真正释放这些分子的几率也只有大约 20%。
这是因为我们的演化目标并不是传递尽可能多的信息。帕达姆西说：“我们在演化过程中将每单位的能量传递效率最大化。”——这完全是另一种计算方式。也就是说，大脑追求的是用最少的能量传递最多的信息（每个ATP对应的比特数）。在这种策略下，神经元的最佳放电频率其实不到 10赫兹。
从演化角度看，人类的大脑在复杂性和灵活性上达到了前所未有的高度，但这也是以巨大的能量成本为代价的。如何在大脑的高智能潜力与生物系统的能量限制之间找到平衡，这正是我们大脑运行机制、专注后疲劳感来源、以及大脑维持生命功能背后的一整套“动态调节系统”。而大脑在如此有限的资源下还能完成这么多任务，确实令人惊叹。
本文来自微信公众号 “神经现实”（ID：neureality），作者：Feehly，36氪经授权发布。
