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揭秘“功能磁共振成像”技术的成像奥秘

2012年09月03日  来源:新浪网    转载

  每个经历过大型考试的人都记得这种感觉:几小时高强度的脑力运作,让你恍惚着步出考场,手脚力,一面有逃出生天的解脱感,另一面又觉得全身精力耗尽,只想倒头大睡一觉。

  为什么长时间的脑力活动,会让人觉得像跑完马拉松一样疲惫呢?

  脑力劳动的能量消耗

  成年人大脑的平均重量是1.4公斤,只占人体重量的2%。不管我们是在做精密的计算题,还是点鼠标看搞笑视频,它都耗费着大量的血液、气和葡萄糖。总的来说,大脑所消耗的能量约占人体静态代谢率(resting metabolic rate,简称RMR,指人体的精神及身体在安静状态时,维持一天的生命所需的最低热量)的20%。举个例子,假设一个人整天什么都不干,只是躺着的话,他/她的热量消耗大概是1300卡路里,其中有260卡路里都是大脑耗费的,主要用来维呼吸循环、神经系统和肝肾内脏的运作等。

  如果把大脑跟其他器官相比,它算是耗能大户了。但我们如果再做一点小小的换算(1卡=4.187焦耳,1焦耳/s为1瓦特),就会发现大脑运作的功率约为12.6瓦特,这跟一个节能灯泡是差不多的。而人工智能计算机要达到大脑的运算水平的话,以目前最出风头的IBM超级计算机Watson为例,它靠90台IBM Power750处理器运作,每台处理器的功率约为1000瓦特。看看这之间的差距吧!

  那么,大脑是怎么消耗热量的呢?通过动物和人体的观察实验,科学家们发现,当某部分大脑的神经元开始运作时,那里的毛细血管会扩张,输送比平常更多的血液,带来更多的糖分和氧气。神经元由此产生的“燃烧”现象,加上血液流动带来的磁效应,正是“功能磁共振成像”技术(简称FMRI,一种大脑成像技术)得以实现的原因。

  根据这种现象,一些科学家推断,如果神经元燃烧时需要额外的糖分,那么大脑在努力工作时,血液中的血糖会降低。而反过来,补充一些高糖分食物能够帮大脑更好地运作。可惜,这个道理虽然听起来简单,但真正得出有效结论的实验却很少,而且大部分是模棱两可的:

  英国诺桑比亚大学做过一项实验,第一组志愿者完成一系列字母和数学测试,另一组只是简单地敲键盘。对比监测的数据,认真测试的第一组血糖值下降值明显比第二组的大。但给志愿者喝了糖分饮料后,第一组志愿者只有在某项测试上的成绩有提高,其他则没有改变。

  利物浦约翰摩尔大学也有类似的实验:志愿者们要完成两种版本的斯楚普测试(Stroop task,一种色词干扰测试,比如用红墨水印“蓝色”字样)。在第一组里,单词的意思跟印刷它的颜色是一致的(比如用蓝墨水印“蓝色”字样),另一组的单词意思则和颜色不同(比如用红色或绿色墨水印“蓝色”字样)。显然,要答对第二组比较费脑子。测试结果也显示,第二组中的志愿者血糖值降得比另一组多。

  此外,有些实验显示,当一个人完成自己不擅长的任务时,脑子耗费的能量比较多,越是驾轻就熟的工作,所需的脑力就越少;但又有实验得出的结论正相反。因此,一些科学家开始从其他角度来考虑这个问题。

  加拿大渥太华大学教授克劳德·梅西尔翻阅过大量上述的实验报告,觉得它们并没有说服力:“理论上来说,一个很难的测验肯定会消耗更多能量,但这个能量的改变到底有多明显?”在他看来,人体所消耗的能量基数本身就很大,就算在睡眠状态,血糖值也是有波动的:“大脑要控制全身器官的正常运作,要把血液和养分通过无数条管道输送到所有细胞中去。有这么庞大的日常消耗量,大脑完全能应付多出来的一点点任务。”

  宾夕法尼亚大学的罗伯特·库兹本教授也指出一个疑点:美国伊利诺大学在2009年曾做过一个实验,让一组儿童在考试前先在跑步机上走了20分钟,另一组儿童则在考试前默读书本,结果,第一组儿童的考试成绩是更优秀的。库兹本教授认为,如果大脑的运作效率只跟血糖和能量有关的话,第一组儿童因为锻炼消耗了额外的能量,应该考得更差才对,但事实是相反的。

  如果真如梅西尔和库兹本所认为,脑力测试消耗的能量并不明显,那怎么解释参加完高考后考生们的精疲力竭呢?一种解释就是,之前所做的实验中,大脑的劳动量实在太轻了。梅西尔认为:“如果我们下点狠心去考验实验对象,让他们花够长的时间,去做一些够难的事情,也许能得到明确些的结果。”

  压力让你更疲惫

  另一种解释是,实验对象的态度也很关键。有些人对着一本难懂的书时,只翻几页就会烦躁得坐立不安,而有些人即使连看几部杂曲折的悬疑电影,也不会精神疲惫。大家可能也有类似的经验:玩一圈牌或做几项填字游戏,有时反而能振奋精神。因此,由脑力劳作所带来的精疲力竭,似乎只跟非消遣类的脑力任务有关,比如高考、GRE或托福。

  英国伯明翰大学的研究者曾在2009年对自行车运动员做过一项实验:把体质平均的运动员随机分两组,一组先做了整整90分钟的测验卷,然后开始骑车;另一组则先看一个半钟头的普通纪录片,然后再骑车。结果的对比很有趣:第一组运动员骑车训练的时长普遍比第二组的短,很快就觉得体力不支而停止了。

  因此一些研究者推断,如果脑力劳动跟压力联系在一起的话,让人体会到的疲惫感会更强烈。加拿大拉瓦尔大学在2008年的一个小实验很说明问题:有14名体形和年龄近似的女大学生,她们在45分钟里或是坐着休息,或是读论文并写总结,或是完成一项记忆力测验,然后再一起参加自助午餐。研究者分七个时间点测试了她们的空腹血糖值,胰岛素和皮质醇含量,并计算了她们在自助餐里吃过的食物热量。结果发现,经过脑力劳动的后两组女生,摄入的食物热量都比休息的那组高(高出的值从848 kJ到1057 kJ不等);后两组的皮质醇水平在前45分钟里也比第一组高,表明她们经受着较大的压力和紧张状态。因此,与其说是脑力劳动耗费了更多能量,不如说是脑力劳动带来的压力让人体“觉得”自己耗费了更多能量。

  对此,梅西尔教授做了一个推断:“大脑像是一个懒惰的流浪汉,它会极力避免在一件任务上耗费太多精力和太长时间。如果你从事的脑力劳动超过了它接受的极限,它就会开始释放信号:够了,你消耗的精力太多了,可以停了。这也许是一种自我保护机制。”

(责任编辑:徐惠珍 )

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