摘要：你刚刚从疲惫的一天回到家。你要做的就是站起来，看电视上的任何内容。虽然不活动可能感觉像是应得的休息，但你的大脑不仅仅是发冷。事实上，根据最近的研究，它消耗的能量几乎与你在压力活动期间消耗的能量一样多。

为 Quanta 杂志提供的 Myrian Wares 由康纳·费利特约撰稿人

你刚刚从疲惫的一天回到家。你要做的就是站起来，看电视上的任何内容。虽然不活动可能感觉像是应得的休息，但你的大脑不仅仅是发冷。事实上，根据最近的研究，它消耗的能量几乎与你在压力活动期间消耗的能量一样多。

莎尔娜·贾马达尔（打开新标签页），澳大利亚莫纳什大学的神经科学家和她的同事回顾了她实验室和世界各地其他人的研究，以估计认知的代谢成本（打开新标签页）——即为人脑提供动力需要多少能量。令人惊讶的是，他们得出结论，费力的、以目标为导向的任务只比休息的大脑活动多消耗 5% 的能量。换句话说，我们在进行集中认知时比发动机怠速时多使用大脑的一小部分。

经常感觉好像我们通过全神贯注和专注来分配我们的精神能量。但这项新研究建立在人们越来越认识到大脑的大部分功能都用于维持的基础上。虽然许多神经科学家历来专注于主动的外向认知，例如注意力、解决问题、工作记忆和决策，但越来越明显的是，在表面之下，我们的后台处理是一个隐藏的活动巢穴。我们的大脑调节我们身体的关键生理系统，当我们有意识和潜意识地对不断变化的环境的需求做出反应时，将资源分配到需要的地方。

“有一种观点认为大脑是用来思考的，”他说乔丹·特里奥特（打开新标签页），他没有参与这项新的分析。“从代谢的角度来看，[大脑的功能]主要花在管理你的身体、调节和协调器官、管理它所依赖的这个昂贵的系统以及驾驭复杂的外部环境上。”

神经科学家 Sharna Jamadar 汇编了同步 MRI 和 PET 成像的数据，以估计大脑的能量使用情况。

大脑不仅仅是一台认知机器，而是一个由进化雕刻而成的物体——因此受到生物系统紧张的能量预算的限制。思考可能会让你感到疲倦，不是因为你没有精力，而是因为你已经进化到可以保护资源。这项对神经代谢的研究与对大脑放电动力学的研究相结合，指出了解释我们认知能力的局限性、范围和效率的竞争进化力量。

人脑的运行成本非常高。该器官大约占体重的 2%，消耗了我们身体 20% 的能量资源。“这对新陈代谢的要求非常高，”Jamadar 说。对于婴儿来说，这个数字接近 50%。大脑不是纯粹的认知机器，而是进化雕刻而成的物体。

大脑的能量以三磷酸腺苷 （ATP） 分子的形式出现，细胞由葡萄糖和氧气制成。一大片细毛细血管（估计有 400 英里的血管布线）穿过脑组织，将富含葡萄糖和氧气的血液输送到神经元和其他脑细胞。一旦在细胞内合成，ATP 就会为神经元之间的通信提供动力，从而执行大脑的功能。神经元将电信号传送到它们的突触，从而允许细胞交换分子信息;信号的强度决定了它们是否会释放分子（或“火”）。如果它们会释放，该分子信号将决定下一个神经元是否会传递信息，依此类推。众所周知，维持所谓的膜电位——神经元膜上的稳定电压，确保细胞在需要时准备好发射——至少占大脑总能量预算的一半。

直接在人脑中测量 ATP 是高度侵入性的。因此，对于他们的论文，Jamadar 的实验室综述研究（打开新标签页），包括他们自己的发现，使用其他能量使用的估计值——通过正电子发射断层扫描 （PET） 测量的葡萄糖消耗，以及通过功能性磁共振成像 （fMRI） 测量的血流——来跟踪大脑在活动任务和休息期间如何使用能量的差异。Jamadar 说，当同时进行时，PET 和 fMRI 可以提供有关大脑如何消耗葡萄糖的互补信息。它不是大脑能量使用的完整测量，因为神经组织也可以转化一些氨基酸（打开新标签页）转化为 ATP，但大脑的绝大多数 ATP 是由葡萄糖代谢产生的。

Jamadar 的分析表明，与静息的大脑相比，执行主动任务的大脑仅多消耗 5% 的能量。当我们从事一项艰苦的、以目标为导向的任务时，例如研究新城市的公交车时刻表，相关大脑区域或网络的神经元放电率会增加——例如，视觉和语言处理区域。这占了额外的 5%;剩下的 95% 用于大脑的基本代谢负荷。

东北大学的神经科学家乔丹·特里奥特 （Jordan Theriault） 认为，大脑是一个预测引擎，它总是在为接下来的事情做计划。

Matthew Modoono / 东北大学

研究人员尚不清楚这种负荷是如何分配的，但在过去的几十年里，他们已经阐明了大脑在后台做什么。“大约在 90 年代中期，我们开始意识到，作为一门学科，当有人躺在那里休息并且他们没有明确参与一项任务时，实际上会发生一大堆事情，”她说。“我们过去认为与手头任务无关的持续休息活动是噪音，但现在我们知道这些噪音中有很多信号。”

如果食物很难获得，[5%] 可能意味着生与死的区别。

该信号大部分来自默认模式网络，该网络在我们休息或未进行明显活动时运行。这个网络涉及在过去、现在和未来场景之间漂移的心理体验——你可能会做晚饭做什么，上周的回忆，你的臀部有些疼痛。此外，在意识的冰山下，我们的大脑正在跟踪物理变量的马赛克——体温、血糖水平、心率、呼吸等——这些变量必须保持稳定，处于一种称为体内平衡的状态，以保持我们的生命。如果他们中的任何一个偏离得太远，事情很快就会变糟。

Theriault 推测，大脑的大部分基本代谢负荷都用于预测。为了实现其稳态目标，大脑需要始终为接下来的事情做计划——建立一个复杂的环境模型以及变化如何影响身体的生物系统。Theriault 说，预测而不是反应使大脑能够有效地将资源分配给身体。

在积极思考期间增加 5% 的能量需求听起来可能不多，但在整个身体和耗能的大脑的情况下，它可以加起来。当你考虑到我们的祖先必须应对的严格的能量限制时，在繁重的一天结束时的疲惫突然变得更加有意义。

神经科学家 Zahid Padamsey 研究了能量（或食物）的可用性如何影响大脑的进化。

“你感到疲劳的原因，就像你在体育锻炼后感到疲劳一样，并不是因为你没有足够的卡路里来支付它，”他说扎希德·帕达姆西（打开新标签页），威尔康奈尔医学院卡塔尔分校的神经科学家，他没有参与这项新研究。“这是因为我们已经进化成非常吝啬的系统。 … [eos]We evolved in energy-poor environments, so we hate exerting energy.”

现代世界对许多人来说卡路里相对丰富，这与智人进化的稀缺条件形成鲜明对比。燃烧速度增加 5%，超过 20 天持续、积极、专注于任务相关，可以相当于一整天的认知能量。如果食物很难获得，这可能意味着生与死的区别。

“如果你不限制燃烧率，随着时间的推移，这可能会很严重，所以我认为这在很大程度上是我们进化遗产的遗留物，”帕达姆西说。事实上，大脑有防止过度劳累的内置系统。“你会激活疲劳机制，防止进一步的燃烧速度，”他说。

为了更好地了解这些能量限制，Padamsey 在 2023 年总结了对某些电信号的特点（打开新标签页）这表明了能源效率的进化趋势。首先，你可能会想象你传输信息的速度越快越好。但大脑的最佳传输速率远低于预期。

理论上，神经元发射并向其邻居发送信息的最高速度是 500 赫兹。然而，如果神经元真的以 500 赫兹的速度发射，系统将完全不堪重负。 这最佳信息速率（打开新标签页）— 神经元仍然可以区分来自邻居的信息的最快速率是它的一半，即 250 赫兹。

然而，我们的神经元的平均放电率为 4 赫兹，比信息传输的最佳速率低 50 到 60 倍。更重要的是，许多突触传输失败：即使电信号被发送到突触，启动它向下一个神经元释放分子，它也只有 20% 的时间这样做。

那是因为我们没有进化以最大化发送的总信息。“我们已经进化到最大化每个 ATP 花费的信息传输，”Padamsey 说。“这是一个非常不同的方程式。”以尽可能少的能量（每个 ATP 的比特数）发送最大量的信息，最佳神经元放电速率低于 10 赫兹。

从进化上讲，庞大而复杂的人类大脑提供了前所未有的行为复杂性水平——但付出了巨大的能量代价。这种在大型大脑的灵活性和创新与生物系统的能量限制之间的协商，定义了我们大脑如何传递信息的动力学、我们在集中注意力后感到的精神疲劳，以及我们的大脑为保持我们的生命所做的持续工作。它在自己的限制范围内做了这么多事情，这相当令人惊讶。

来源：人工智能学家