當我們的手機和電腦沒電的時候，顯示屏會息屏，這像是一種電子性死亡。但如果調到低電量模式，它們則會暫停不重要的功能以維持基本功能，直到再次充上電。大腦的運轉也需要消耗大量的能量。大腦細胞主要依賴于穩定的今天冷依柔要和大家分享的是大腦陷入“低電量模式”，什麼功能先喪失？,歡迎閱讀~
當我們的手機和電腦沒電的時候，顯示屏會息屏，這像是一種電子性死亡。但如果調到低電量模式，它們則會暫停不重要的功能以維持基本功能，直到再次充上電。
大腦的運轉也需要消耗大量的能量。大腦細胞主要依賴于穩定的葡萄糖運輸，通過将其轉變為三磷酸腺苷來為信息加工處理提供能量。
即便在我們感到饑餓的時候，大腦也不會改變太多的能量消耗。但因為人類和其他動物都曾在曆史上面臨過長期或季節性的饑餓，科學家便推測大腦或許也有應對緊急情況的低能量模式。
在一篇 1 月發表于《神經元》的文章 [ 1 ] 中，英國愛丁堡大學的納塔莉 · 羅什福爾（Nathalie Rochefort） [ 2 ] 實驗室的神經科學家展現了小鼠視覺系統中的節省能量的技巧。當小鼠連續幾周都缺乏足夠的食物時，它們将失去 15% 到 20% 的一般健康體重。科學家們發現，在這種情況下，小鼠視覺皮層神經元在突觸使用的三磷腺苷減少 29%。
論文題目：
Neocortex saves energy by reducing coding precision during food scarcity
DOI：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.10.024
但新的處理模式也讓感知有所受損：它削弱了小鼠分辨細節的能力。由于處于低能量模式的神經元處理視覺信号時更不準确，這些食物受限的小鼠在挑戰性的視覺任務中會表現更差。
"我們在這種低能量模式中獲得的更像是關于這個世界更模糊的圖片。" 這項新研究的第一作者紮希德 · 帕達姆西（Zahid Padamsey） [ 3 ] 說到。
這個新研究引發了神經科學家們廣泛的興趣和稱贊，包括那些研究與視覺無關，卻同樣被缺乏能量影響的感知和認知處理過程的神經科學家。這可能對于理解營養不良或者節食如何影響人們對世界的認知有很重要的指示。
這個研究也引出了神經科學研究中廣泛的用食物限制來激勵動物的問題，以及研究人員對處于次優、低功率狀态的神經元的研究，扭曲了對感知和行為的理解的可能性。
愛丁堡大學的博士後研究員 Zahid Padamsey 主持的這項新研究表明，當小鼠被剝奪足夠的食物時間過長時，其視覺系統中的皮質神經元如何陷入 " 省電模式 "。
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Courtesy of Nathalie Rochefort
越少的食物，越低的準确度
如果你曾覺得你在饑餓時就無法專注某項任務——或者你隻能想到吃的——神經系統的證據能支持你這一行為。幾年前的研究證實了短暫的饑餓可以改變神經處理，将我們的注意力放到能幫助我們更快找到食物的方式上。
2016 年，在密西根大學的克裡斯蒂安 · 布格斯（Christian Burgess） [ 4 ] 和他的同事發現，當小鼠看到一個與食物相關的圖片時，它們視覺皮層的一塊區域會在它們饑餓的時候顯示出更多的神經活動 [ 5 ] ；在它們進食之後，這種活動會減少。同樣，在針對人類的成像研究 [ 6 ] 中發現，與吃完飯相比，食物的圖片會在被試饑餓的時候，喚起某些腦部區域更強的反應。
無論你是否感到饑餓，" 碰到你視網膜的光子是一樣的。" 布格斯說到，" 但是你大腦中的成像十分不同，因為你有一個你的身體認為你需要的目标，且它會用一種有助于實現那個目标的方式來引導你的注意力。"
但是在超過幾個小時的饑餓之後會發生什麼？研究人員意識到，大腦可能有辦法通過削減其最消耗能量的處理過程來節約能量。
- Maddi Matthews -
第一個證實這個猜想的證據 [ 7 ] 來源于 2013 年的果蠅的微小的大腦。來自法國國家科學研究中心和巴黎市工業物理化學學校的皮埃爾 - 伊夫 · 普拉萊和托馬斯 · 普瑞特 [ 8 ] 發現當果蠅處于饑餓狀态時，大腦中一個十分消耗能量，形成長期記憶所需要的回路會關閉。
當他們強制激活這一回路來形成記憶時，饑餓的果蠅死的快很多，這暗示了關掉這一過程會節省能量和存續它們的生命。
然而，哺乳動物更大，認知上更高級的大腦是否會做出相似的事還是未知的。我們也不清楚它們是否會像果蠅一樣在饑餓之前就進入節省能量的模式。我們有理由認為可能不會：如果用于神經處理的能量被太快地減弱，動物尋找和識别食物的能力可能會受損。
這篇新的論文首次揭示了一旦食物長期短缺（但并非完全不存在）很長一段時間後，大腦是如何适應以節省能量的。
愛丁堡大學神經科學教授 Nathalie Rochefort 認為，新觀察到的食物短缺時皮質神經元如何運作的變化可能影響學習和記憶過程。
在長達三周的時間内，研究人員限制了小鼠可獲得的食物，直到他們失去了 15% 的體重。小鼠并沒有挨餓：事實上，研究人員在實驗之前喂了它們，以避免布格斯和其他研究組所看到的短期饑餓導緻的神經改變。但是小鼠也沒有得到它們所需要的那麼多的能量。
接下來，研究人員開始 " 偷聽 " 小鼠神經元之間的交流。他們測量了當小鼠觀看不同方向的黑色條紋圖片時，視覺皮層的一些神經元發送出的電壓尖峰（voltage spikes）——神經元用于交流的電子信号——的數量。處于主要視覺皮層的不同神經元會在面對偏好方向的線條時發放信号。例如，如果一個神經元偏好的角度是 90 度，那麼當視覺刺激的元素角度為 90 度或接近 90 度時，它将發出更多頻繁的尖峰，但當角度變大或變小時，發放率便會顯著下降。
神經元隻會在它們的内部電壓達到了一個閥值時發送一個尖峰，即将正鈉離子送入細胞。但是尖鋒之後，神經元需要将所有的鈉離子再運輸回去——這是神經科學家們在 2001 年發現 [ 9 ] 的大腦内最消耗能量的過程。
食物匮乏時，新皮層通過降低編碼精度來節省能量
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.10.024
作者們研究這個消耗能量的過程以期尋找到節省能量技巧的證據，結果顯示這是正确的研究方向。在缺乏食物的小鼠中的神經元會減少在它們的膜之間移動的電流——以及進入的鈉離子的數量——這樣它們就不需要花太多能量在尖峰之後将鈉離子送回去。我們預期更少的鈉會導緻更少的尖峰，但是通過某種方式，缺少食物的小鼠可以在它們的視覺皮層的神經元中維持一個與正常小鼠相似的神經發放率。于是研究者們轉而尋找保持這一發放率的補償性過程。
他們發現了兩個能讓神經元更快發放的改變。首先神經元增加了輸入的電阻，降低了到達它們突觸時的電流。他們也提升了靜息電位，使其已經接近發送尖峰信号所需的阈值。
"看起來大腦花了很多力氣來維持發射率。" 西雅圖艾倫腦科學研究所的計算神經學家安東 · 阿爾希波夫（Anton Arkhipov） [ 10 ] 說到。" 并且這也告訴了我們維持這些發射率有多重要。" 不管怎麼說，大腦完全可以簡單的通過發射更少的尖峰來節約能量。
但保持一樣的發放率意味着在别處有所犧牲：小鼠的視覺皮層神經元無法針對性地選擇讓它們發放的線條方向，所以它們的回應會變的更不準确。
- Ellen Weinstein -
低分辨率的視野
為了檢測視覺感知是否受到神經元精确度降低的影響，研究人員将小鼠放一個有兩個過道的水下房間裡，每個過道由白色背景上有角度的黑條組成的不同圖像标記。其中一個過道含有一個隐藏的可供小鼠逃出水下的通道。小鼠學會了将隐藏的通道和一個帶有特定角度的條紋的圖片聯系起來，但是研究人員可以通過讓減少角度差來提高找到任務的難度。
當正确和錯誤的圖片間區别很大時，缺乏食物的小鼠可以輕易地找到暗道。但當角度差别小于 10 度時，缺乏食物的小鼠突然就不再能像正常進食的小鼠一樣準确的區分了。節約能量的結果就是低清的世界。
這些結果表明了大腦會優先考慮那些對生存最重要的功能。識别出條紋 10 度的角度區别，可能對找到附近的水果或者看到接近的捕獵者并不重要。
- Phillippe Conquet -
人們都沒想到這些感知上的受損，遠遠發生在動物進入真正的饑餓之前。這 " 絕對出乎我的意料 "，杜克大學的一位研究視覺的神經科學家林賽 · 格裡克菲爾德（Lindsey Glickfeld） [ 11 ] 說到。" 視覺系統找到了這種方式，用對感知任務完成能力的相對輕微的改變，來實現大量的能量使用的降低。"
對于現在來說，這項研究隻确切地告訴我們，哺乳動物可以在視覺皮層神經元中打開節約能量的機制。" 有可能這一機制并不适用于例如嗅覺這樣的感知中。" 羅什福爾說到。但是她和她的同事們認為這很可能在其他皮層區域也或多或少發生。
其他的研究人員也這麼認為。" 總的來說，在不同皮層區域的神經元幾乎一樣地運轉。" 一個在賓夕法尼亞大學研究聽覺處理的神經科學家瑪麗亞 · 格芬（Maria Geffen） [ 12 ] 說到。她預期能量節省會對所有的感官造成同樣的影響，提升對生命體最重要的活動，降低其他活動。
" 我們在大部分的時間不會将我們的感官用到極緻。" 格芬說到。" 這取決于行為需要，大腦一直在調整。"
- Olivia Fields -
幸運的是，任何出現的模糊感都不是永久的。當研究人員給小鼠一劑瘦素*，她們發現了能将低能量模式打開和關閉的開關。神經元恢複到以高精确度回應它們傾向的方向，同樣的認知缺陷也不見了——這些都是在小鼠沒有任何進食的情況下。
* 譯者注
身體用以調節能量平衡和饑餓程度的激素。
" 當我們提供瘦素時，我們可以欺騙大腦到能恢複正常皮層運行的程度。" 羅什福爾說道。
因為瘦素是被脂肪細胞釋放的，科學家們認為它們在血液中的存在，很可能是給大腦發送動物處于食物很充足的環境和不需要儲存能量的信号。新的研究表明，較低量的瘦素會警示大腦身體缺乏營養的狀态，将大腦調到低能量模式。
" 這是出人意料的滿意結果 "，倫敦弗朗西斯 · 克裡克研究所的神經科學家朱莉娅 · 哈裡斯（Julia Harris） [ 13 ] 說到。" 有這樣一個漂亮的、與現存證據如此一緻的發現，非同尋常。"
扭曲了神經科學？
這些新發現的一大重要意義是，我們知道的關于大腦和神經元如何運行的大量知識，可能是從研究人員不明智地放入低能量模式的大腦中習得的。限制小鼠和其他實驗動物在實驗前可獲得的食物長達幾周是是非常普遍的，包括在實驗中用于激勵它們完成任務來獲得食物獎賞（否則，動物經常會直接坐着）。
" 這些研究帶來了非常深遠的影響——它闡明了食物限制會影響大腦運行的事實。" 羅什福爾說。我們觀察到的電離子流動的改變，可能對學習和記憶的過程至關重要。她認為，因為這些過程依賴于突觸處發生的具體變化。
" 我們必須要仔細地考慮我們如何設計實驗，以及如果我們想要詢問動物感知或者神經元的敏感程度，我們如何理解實驗。" 格裡克菲爾德說到。
這些結果還提出了全新的問題，即其他生理狀态和激素信号如何影響大腦，以及血液中不同水平的激素是否會導緻個體對世界的看法略有不同。
- Freepik -
哥本哈根大學的一個神經科學家魯内•阮拉•蘇穆森（Rune Nguyen Rasumussen） [ 14 ] 強調，人們在瘦素和整體的新陳代謝系統上都是不同的。" 這是否意味着，即使是我們人與人之間的的視覺感知——盡管我們可能并未意識到——也是不同的呢？"
蘇穆森提醒到，這個問題沒有足夠的證據，仍是有争議的。小鼠有意識的視覺感知似乎很可能受到食物剝奪的影響，因為這些感知的神經元表征和動物的行為都發生了變化。然而，我們并不能确切地知道，"因為這要求動物能向我們描述其視覺體驗，而很明顯它們做不到。" 蘇穆森說到。
但目前為止，我們也沒有理由認為老鼠的視覺皮層神經元觸發的低電量模式和其對認知的影響，不會發生在人類和其他哺乳動物上。
格裡克菲爾德說，" 我認為這些機制對神經元至關重要。"
參考文獻
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
作者：Allison Whitten l 譯者：無意義先生
關于大腦陷入“低電量模式”，什麼功能先喪失？就介紹完了，您有什麼想法可以聯系冷依柔。
