饥饿时，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，可以通过打开“省电模式”来延长手机的使用时间，保持基本功能。类似的东西也存在于生物体中。研究人员对老鼠视觉系统神经元的研究表明，当它们饿的时候，老鼠的大脑会开启“低功耗模式”，降低视觉精度，限制与维持生命关系不大的功能，保持能量，做自我保护。这篇文章来自于编译，希望对你有所启发。

如果长时间吃不饱，体重下降到临界阀值以下，大脑就会通过改变处理数据来降低能量消耗。插图：马特柯蒂斯/《Quanta Magazine》

当手机和电脑没电时，屏幕会变暗，然后罢工。但是，如果我们提前将电子产品转换为“省电模式”来节省电力，它们将减少高能耗操作，以保持基本功能的运行，直到我们能够为电池充电。

人的能量密集型大脑也需要长时间保持“有电”。脑细胞的运转主要依赖于葡萄糖的稳定运输，它们将葡萄糖转化为三磷酸腺苷（ATP）为信息处理过程提供能量。当我们饿的时候，大脑通常不会改变它的能量消耗过程。然而，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，有时它们是季节性的，科学家们想知道大脑是否有自己的“低功耗方法”来应对紧急情况。

爱丁堡大学娜塔莉·罗什福尔在今年1月发表在《神经元》杂志上的一篇论文中。（Nathalie Rochefort） 在老鼠视觉系统中，实验室神经科学家揭示了一种节能策略。他们发现，当老鼠几周内吃不饱(可以减轻体重15%到20%)时，视觉皮层中的神经元会减少突触中ATP的用量，减少29%。

然而，这种新的处理模式是以感知为代价的，这损害了老鼠看到世界细节的方式。这些老鼠在具有挑战性的视觉任务中表现较差，因为低功耗模式下神经元处理视觉信号的精度较低。

这项新研究的第一作者扎希德·帕德姆西（Zahid Padamsey）他说：“在这种低功率模式下，世界就像分辨率下降一样。

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，因为这些过程可能会因为体内缺乏能量而发生类似的变化。这可能对理解营养不足甚至一些形式的节食如何影响人们对世界的看法具有重要意义。它还提出了在神经科学研究中广泛使用饥饿方法来激励动物的问题。

1. 吃得少，精度低

我们可能有过这样的经历:当你觉得饿的时候，你不能集中精力做一件事，因为你脑子里想的是食物，这是神经系统研究中有证据支持的。几年前的研究证实，短期饥饿可以改变神经处理过程，使我们的注意力偏向于某些方面，从而帮助我们更快地找到食物。

密歇根大学2016年（University of Michigan）克里斯蒂安·伯吉斯的神经科学家（Christian Burgess）他的同事发现，当老鼠看与食物相关的图像时，如果它们处于饥饿状态，视觉皮层的一个区域会显示出更多的神经元活动，但吃了之后，这种活动会减少。类似地，对人类的视频研究表明，当受试者感到饥饿时，一些大脑区域对食物图像的反应比他们吃完后更强烈。

不管你饿不饿，伯吉斯说:“投射到视网膜上的光子是一样的。“但是你大脑中的表现非常不同。因为你的大脑知道你的身体需要食物，它会引导你的注意力，这有利于满足你的食欲。”

但是饥饿几个小时后会发生什么呢？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约能量。

这一观点的第一个确凿证据来源于2013年对苍蝇的小脑研究。巴黎高等物理化学学院，法国国家科学研究中心（ESPCI ParisTech）皮埃尔·伊夫（Pierre-Yves Plaçais）还有托马斯·普瑞特（Thomas Preat）发现，当苍蝇饿的时候，形成一个消耗能量长时间记忆所需的大脑通道就会关闭。当研究人员强迫这条通道激活并形成记忆时，饥饿的苍蝇死得更快，这表明关闭这个过程保存了能量和苍蝇的生命。

然而，哺乳动物更大、认知更先进的大脑是否也有类似的行为尚不清楚。不知道动物饿死前会不会启动什么节能模式，就像苍蝇一样。有理由认为可能不会，因为如果神经处理能量过早减少，可能会影响动物寻找和识别食物的能力。

这篇新论文首次揭示了大脑是如何适应食物短缺时节约能量的。

在过去的三个星期里，研究人员限制了一组老鼠的食物摄入，直到它们的体重下降了15%。这些老鼠并不饿。事实上，研究人员在实验前给老鼠喂食，以避免伯吉斯和其他研究团队看到的短期饥饿依赖神经变化。但是老鼠没有得到他们需要的那么多能量。

随后，研究人员开始研究老鼠的神经元。当老鼠从不同角度观看黑条图像时，研究人员测量了视觉皮层中少数神经元发出的电压峰值(神经元用于交流的电信号)的总数。初级视觉皮层的神经元对喜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为90度，那么当视觉刺激元素的视角为90度或接近90度时，它会发出更频繁的峰值信号，但这种频率会随着视角的增大或减小而大幅下降。

只有当内部电压达到临界阈值时，神经元才会发出峰值信号，这是通过向细胞中注入带正电的钠离子来完成的。然而，在峰值之后，神经元必须泵回这些钠离子，神经科学家正在 2001 年度发现这一任务是大脑中最需要能量的过程之一。

为了找到节能的证据，作者研究了这个耗能过程，结果证明，这个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和进入细胞膜的钠离子总数，所以它们不需要在高峰后花费太多的能量来泵出钠离子。摄取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着与被喂养的老鼠相似的峰值率。于是，研究人员开始寻找补偿过程来维持峰值。

他们发现了两个变化，这使得神经元更容易产生峰值。首先，神经元增强了输入电阻，从而减少了突触上的电流。它们还增加了静息膜的电位，以接近峰值传输所需的阀值。

艾伦脑科学研究所西雅图（Allen Institute for Brain Science）安东·阿尔希波夫，计算神经学家。（Anton Arkhipov）说:“看来大脑尽力保持放电率。这告诉我们保持这些放电率有多重要。毕竟，通过降低峰值，大脑可能很容易节省能量。

然而，保持峰值率不变意味着牺牲其他东西。老鼠的视觉皮层神经元对方向没有那么强的选择性，所以反应变得不那么准确。

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下降的影响，研究人员把老鼠放在有两条走廊的水下室里，每条走廊都标有白色背景上不同角度的黑色条形图像。过道中有一个隐藏的平台，老鼠可以利用它离开水面。数据显示，老鼠已经学会了将隐藏的平台与某个特定视角的图像联系起来，但是通过使图像的视角更加相似，老鼠更难选择合适的过道。

饥饿的老鼠在正确和错误的图像之间有很大的差异时，很容易找到平台。但是当图像上的角度差小于10度时，突然，饥饿的老鼠无法像喂食的老鼠那样准确地区分它们。节能的结果是对世界的分辨率略有下降。

结果表明，大脑优先考虑生存最重要的功能。对于寻找周围的水果或发现接近的捕食者来说，可能没有必要识别不同图像在方向上的10度差异。

早在动物进入真正的饥饿状态之前，这些感知障碍就出现了，这是意想不到的。杜克大学（Duke University）林赛·格利克菲尔德，一位视觉神经学家（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大降低能量消耗，而动物执行感知任务的能力只是这种相对微妙的变化。”

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“省电机制”。罗什福尔说:“我们的结果可能不适合嗅觉。但她和她的同事怀疑这种情况也可能发生在其他皮层区域。

其它研究人员也这么认为。宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）玛丽亚·格芬芬，一位研究听觉处理的神经科学家。（Maria Geffen）总的来说，大脑皮质各个区域的神经元功能非常相似。"她估计，节能对感知的影响在所有感官上都是一样的，可以改善对生物最有用的活动，减少其它所有活动。

格芬说：“很多时候，我们的感觉并没有达到极限。大脑一直在根据行为需要进行调整。”

幸运的是，这个世界上的“低分辨率方法”并不是长期的。当研究人员给老鼠注入一剂量的瘦素(身体用来调节能量平衡和饥饿水平的激素)时，他们发现了开关和关闭低功耗方法的开关。神经元再次对自己喜欢的方向做出高性能的反应，使感知缺陷消失，在此期间老鼠没有吃东西。

罗什福尔说：“当我们给小鼠注入瘦素时，可以欺骗大脑，使其恢复皮质功能。”

由于瘦素是由脂肪组织释放的，科学家认为它们很可能在血液中向大脑发出信号，表明动物处于食物充足的环境中，不需要储存能量。这项新研究发现，低水平的瘦素会提醒大脑注意身体营养不足，将大脑转化为“低功耗模式”。

伦敦弗朗西斯克里克研究所“这些结果非常令人满意，”（Francis Crick Institute）朱莉娅·哈里斯的神经学家（Julia Harris）他说：“得到这样符合当前认识的发觉并不常见。”

3. 扭曲神经科学？

研究人员无意中从“低功耗大脑”研究中获得的新发现，使我们对大脑和神经元是如何工作有了更深入的了解。

罗什福尔说:“一个真正深刻的影响是，研究结果明确表明，食物的缺乏确实会影响大脑神经。”她认为，由于突触发生的具体变化，她看到的带电离子流的变化可能对学习和记忆过程非常重要。

格利克菲尔德说:“如果我们想提出动物感知的敏感性或神经元的敏感性，我们必须非常仔细地思考如何设计和解释实验。”

研究结果还提出了一些新的问题，如其他生理状态和激素信号如何影响大脑，以及血液中激素水平的差异是否会导致不同的个人看待世界的方式。

哥本哈根大学的神经学家符文·阮·拉斯·穆森（Rune Nguyen Rasmussen）指出，人的瘦素水平与整体代谢情况不同。所以，这是否意味着，视觉感知实际上在人类之间是不同的？

拉斯穆森警告说，这个问题是挑衅性的，基本上没有确切的答案提醒。老鼠的视觉感知似乎很可能受到食物不足的影响，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，他说:“因为动物需要向我们描述它们的定性视觉体验，显然他们做不到这一点。

但到目前为止，没有理由认为老鼠视觉皮质神经元形成的“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。

“我认为这些机制是神经元真正的基础，”格利克菲尔德说。

译者：Teresa

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