饿的时候大脑会开启“省电模式”，让人“变笨”
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编者按：手机有“省电模式”，当手机电量低时，可以通过开启“省电模式”来延长手机的使用时间，维持基本功能。类似的事情在生物体上也存在。研究人员针对小鼠的视觉系统神经元研究发现，当挨饿时，小鼠的大脑会开启“低功耗模式”，减小视觉精度，限制与维持生命关系不大的功能，把能量留着做保命的事情。本文来自编译，希望对您有所启发。
当长期吃不饱且体重降至临界阈值以下时，大脑会通过改变处理信息的方式来减少能量消耗。插图：马特柯蒂斯/《Quanta Magazine》
当手机和电脑没电了，屏幕就会变暗，然后罢工。但如果我们提前将电子设备切换到“省电模式”来节约电量，它们就会减少高耗能性操作，以保持基本功能的运转，直到我们可以为电池充电。
人类的能量密集型大脑也需要保持长期“有电”。脑细胞的运作主要依赖于葡萄糖的稳定输送，它们将葡萄糖转化为三磷酸腺苷（ATP）来为信息处理过程提供能量。当我们肚子饿的时候，大脑通常不会改变它的能量消耗过程。但考虑到人类和其他动物在历史上一直面临着长期饥饿的威胁，有时是季节性的，科学家们想知道，大脑是否有自己的一种应对紧急情况的“低功耗模式”。
在今年一月份发表在《神经元》杂志上的一篇论文中，爱丁堡大学娜塔莉·罗什福尔（Nathalie Rochefort） 实验室的神经科学家揭示了老鼠视觉系统中的一种节能策略。他们发现，当小鼠连续数周吃不饱后（足以让它们的体重下降15%到20%），视觉皮层中的神经元会减少突触中ATP的使用量，降幅高达29%。
但这种新的处理模式是以感知为代价的，它损害了小鼠看到世界细节的方式。因为在低功耗模式下的神经元处理视觉信号的精度较低，所以这些小鼠在具有挑战性的视觉任务中表现更差。
这项新研究的第一作者扎希德·帕德姆西（Zahid Padamsey）说：“在这种低功率模式下，世界就像是分辨率降低了一样。”
这项新工作受到了神经科学家的广泛关注和赞扬，包括一些研究与视觉无关的感觉和认知过程的科学家，因为这些过程也可能因体内缺乏能量而发生类似的改变。这对了解营养不良甚至某些形式的节食如何影响人们对世界的看法，可能有重要的意义。它还提出了关于神经科学研究中广泛使用饥饿方式来激励动物的问题。
1. 吃得少，精度低
我们可能有过这样的经历：觉得饿的时候无法集中精力做一件事，因为你满脑子想的都是食物，这一点在神经系统研究中是有证据支持的。几年前的研究证实，短期饥饿可以改变神经处理过程，并使我们的注意力偏向某些方面，从而帮助我们更快地找到食物。
2016年，密歇根大学（University of Michigan）的神经科学家克里斯蒂安·伯吉斯（Christian Burgess）和他的同事们发现，当老鼠观看与食物相关的图像时，如果它们处于饥饿状态，那么视觉皮层的一个区域会显示出更多的神经元活动，而在它们进食后，这种活动会减少。类似地，对人类的成像研究发现，当受试者感到饥饿时，与他们吃过东西后相比，一些大脑区域对食物的图像产生了更强烈的反应。
无论你饿不饿，“投射到视网膜上的光子是一样的，”伯吉斯说，“但你大脑中的表现非常不同，因为你的大脑知道身体需要食物，所以它会以一种有助于满足食欲的方式引导你的注意力。”
但饥饿几个小时之后会发生什么呢？研究人员意识到，大脑可能有办法通过减少最耗能的过程，来节省能量。
这种观点的第一个确凿证据来自2013年苍蝇的小型大脑研究。法国国家科学研究中心和巴黎高等物理化工学院（ESPCI ParisTech）的皮埃尔·伊夫（Pierre-Yves Plaçais）和托马斯·普瑞特（Thomas Preat）发现，当苍蝇饥饿时，形成一种耗费能量的长期记忆所需的大脑通路会关闭。当研究人员强迫这条通路激活并形成记忆时，饥饿的苍蝇死得更快，这表明关闭这一过程保存了能量并保住了苍蝇的生命。
然而，尚不清楚哺乳动物更大、认知更先进的大脑是否也有类似的行为。也不清楚是否有什么节能模式会在动物饿死之前启动，就像苍蝇一样。有理由认为可能不会，因为如果用于神经处理的能量被过早地削减，动物寻找和识别食物的能力可能会受到影响。
这篇新论文首次揭示了在食物短缺的情况下，大脑是如何适应以节省能量的。
在三周的时间里，研究人员限制了一组老鼠的食物摄入量，直到它们的体重减轻了15%。这些老鼠并没有很挨饿，事实上，研究人员在实验前给老鼠喂食了，以防止伯吉斯和其他研究小组观察到的短期饥饿依赖性神经变化。但老鼠也没有获得它们所需的那么多能量。
然后，研究人员开始研究老鼠的神经元。当小鼠观看不同角度的黑条图像时，研究人员测量了它们视觉皮层中少数神经元发出的电压峰值（神经元用来交流的电信号）的数量。初级视觉皮层的神经元对具有偏好方向的线条做出了反应。例如，如果一个神经元的偏好方向是90度，那么当视觉刺激元素的角度在90度或接近90度时，它就会发出更频繁的峰值信号，但随着角度变得更大或更小，这种频率会大幅下降。
神经元只有在内部电压达到临界阈值时才会发出峰值信号，这是通过向细胞内注入带正电的钠离子来实现的。但在峰值之后，神经元必须将这些钠离子泵回去，神经科学家在 2001 年发现这项任务是大脑中最需要能量的过程之一。
作者研究了这一耗能的过程，以寻找节能的证据，结果证明，这一过程确实是动物节能的一种方式。饥饿老鼠的神经元减少了通过细胞膜的电流，以及进入细胞膜的钠离子的数量，因此它们也就不必花那么多的能量在峰值后把钠离子泵出来。摄入更少的钠可能会导致更少的峰值，但不知何故，被剥夺食物的老鼠在视觉皮层神经元中保持了与被喂饱的老鼠相似的峰值率。因此，研究人员开始寻找保持峰值率的补偿过程。
他们发现了两个变化，这两个变化都使神经元更容易产生峰值。首先，神经元增加了输入电阻，从而减少了突触上的电流。它们还提高了静息膜电位，以接近发出峰值所需的阈值。
西雅图艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）的计算神经学家安东·阿尔希波夫（Anton Arkhipov）说：“看起来，大脑竭尽全力维持放电率。这告诉我们，维持这些放电率是多么重要。毕竟，大脑可能很容易通过减少峰值来节省能量。
但保持峰值率不变意味着牺牲其他东西，小鼠的视觉皮层神经元对方向没有那么强的选择性，因此它们的反应变得不那么精确。
2. 开启“低分辨率”模式
为了检查视觉感知是否受到神经元精度降低的影响，研究人员把老鼠放在一个有两条走廊的水下室里，每条走廊都由白底上不同角度的黑条图像标记。其中一条走廊有一个隐藏的平台，老鼠可以利用它离开水面。结果显示，老鼠学会了将隐藏的平台与某一特定角度的图像联系起来，但研究人员通过使图像的角度更相似，老鼠选择正确的走廊会变得更加困难。
当正确和错误图像之间的差异很大时，饥饿的老鼠很容易找到平台。但当图像上的角度差小于10度时，突然间，饥饿的老鼠就不能像被喂饱的老鼠那样能准确地区分它们了。节约能量的结果是对世界的分辨率稍微降低了一些。
结果表明，大脑优先考虑对生存最重要的功能。能够识别不同图像在方向上10度的差异，对于寻找附近的水果或发现接近的捕食者来说可能不是必要的。
这些感知障碍早在动物进入真正饥饿状态之前就出现了，这是出乎意料的。杜克大学（Duke University）研究视觉的神经学家林赛·格利克菲尔德（Lindsey Glickfeld）说，这“太让我吃惊了”。不知何故，（视觉）系统想出了这种方法来大量减少能量的消耗，而动物执行感知任务的能力只有这种相对微小的变化。”
目前，这项研究只能肯定地告诉我们，哺乳动物可以开启视觉皮层神经元的一种“节电机制”。罗什福尔说：“我们展示的结果有可能并不适用于嗅觉。但她和她的同事们怀疑，这种情况可能也会不同程度地发生在其他皮层区域。
其他研究人员也这么认为。宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）研究听觉处理的神经科学家玛丽亚·格芬（Maria Geffen）说，“总的来说，大脑皮层各区域的神经元功能非常相似。”她预计，节能对感知的影响在所有感官上都是一样的，增加对生物体最有用的活动，而减少其他一切活动。
格芬说：“大多数时候，我们的感官没有发挥到极限。根据行为需求，大脑一直在调整。”
幸运的是，这种世界的“低分辨率模式”并不是永久性的。当研究人员给小鼠注射一剂量的瘦素（机体用来调节能量平衡和饥饿感水平的激素）后，他们发现了打开和关闭低功耗模式的开关。神经元重新对它们偏好的方向做出高精度的反应，这样一来，感知缺陷就消失了，而在这期间小鼠并没有进食。
罗什福尔说：“当我们给小鼠注射瘦素时，可以欺骗大脑，使其恢复皮质功能。”
由于瘦素是由脂肪细胞释放的，科学家认为它们在血液中存在很可能是向大脑发出信号，表明动物处于食物充足的环境中，不需要保存能量。这项新研究表明，低水平的瘦素会提醒大脑注意身体的营养不良状态，将大脑切换到“低功耗模式”。
“这些结果非常令人满意，”伦敦弗朗西斯克里克研究所（Francis Crick Institute）的神经学家朱莉娅·哈里斯（Julia Harris）说，“获得如此符合现有认识的发现并不常见”
3. 扭曲神经科学?
研究人员无意中从“低功耗模式大脑”研究中得到的新发现，让我们对大脑和神经元如何工作有了更深的了解。
罗什福尔说：“一个真正深远的影响是，研究结果清楚地表明，缺乏食物确实会影响大脑功能。”她认为，观察到的带电离子流的变化对于学习和记忆过程可能特别重要，因为它们依赖于突触发生的特定变化。
格利克菲尔德说：“如果我们想提出有关动物感知敏感性或神经元敏感性的问题，必须非常仔细地思考如何设计实验和如何解释实验。”
研究结果还提出了一些全新的问题，比如其他生理状态和激素信号是如何影响大脑的，以及血液中激素水平的不同，是否会导致个体看待世界的方式略有不同。
哥本哈根大学的神经学家符文·阮·拉斯穆森（Rune Nguyen Rasmussen）指出，人们的瘦素水平和整体代谢状况各不相同。那么，这是否意味着，视觉感知实际上在人类之间也是不同的？
拉斯穆森告诫说，这个问题具有挑衅性，几乎没有确切的答案提示。老鼠的视觉感知似乎很可能受到了食物缺乏的影响，因为这些感知的神经元表征和动物的行为发生了变化。然而，我们不能确定，“因为这需要动物能够向我们描述其定性的视觉体验，而显然它们无法做到这一点，”他说。
但到目前为止，也没有任何理由认为，小鼠的视觉皮质神经元所产生的"低功耗模式"及其对感知的影响，在人类和其他哺乳动物中会有所不同。
格利克菲尔德说：“我认为这些机制是神经元真正的基础。”
译者：Teresa
(来源：新浪科技)
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