大脑有一种“低功率模式”会削弱我们的感官

当我们的手机和电脑没电时，它们发光的屏幕就会变暗，它们会像数字死亡一样死去。但是将它们切换到低功耗模式以节省能源，并且它们会削减消耗性操作以保持基本流程正常运行，直到可以为电池充电。

我们的能量密集型大脑也需要保持点亮。脑细胞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) 以促进其信息处理。当我们有点饿的时候，我们的大脑通常不会改变它的能量消耗。但鉴于人类和其他动物历来面临长期饥饿的威胁，有时是季节性的，科学家们想知道大脑是否可能有自己的低功率模式来应对紧急情况。

现在，在一月份发表在《神经元》杂志上的一篇论文中，爱丁堡大学Nathalie Rochefort实验室的神经科学家揭示了一种小鼠视觉系统的节能策略。他们发现，当老鼠连续几周被剥夺足够的食物时——足够长的时间让它们减掉典型健康体重的 15%-20%——视觉皮层中的神经元会大幅减少突触处使用的 ATP 量。 29%。

但新的处理模式带来了感知成本：它损害了老鼠看待世界细节的方式。由于低功率模式下的神经元处理视觉信号的精度较低，因此限制食物的小鼠在具有挑战性的视觉任务中表现更差。

爱丁堡大学神经科学教授 Nathalie Rochefort 认为，新观察到的在食物稀缺时皮层神经元运作方式的变化可能会影响学习和记忆过程。

在三周的时间里，研究人员限制了一组老鼠的食物量，直到它们体重减轻了 15%。老鼠并没有挨饿：事实上，研究人员在实验前给老鼠喂食，以防止伯吉斯和其他研究小组看到的短期饥饿依赖性神经变化。但是老鼠也没有得到他们需要的能量。

然后研究人员开始窃听小鼠神经元之间的对话。他们测量了当小鼠查看以不同角度定向的黑条图像时，视觉皮层中的少数神经元发出的电压尖峰（神经元用于交流的电信号）的数量。初级视觉皮层中的神经元对具有偏好方向的线条做出反应。例如，如果一个神经元的首选方向是 90 度，那么当视觉刺激的元素角度为 90 度或接近 90 度时，它会发出更频繁的尖峰信号，但随着角度变大或变小，速率会显着下降。

神经元只有在其内部电压达到临界阈值时才能发出尖峰，这是通过将带正电的钠离子泵入细胞来实现的。但在峰值之后，神经元必须将所有的钠离子泵出——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。

作者研究了这个成本高昂的过程，以寻找节能技巧的证据，结果证明它是正确的地方。缺乏食物的老鼠的神经元减少了穿过它们的细胞膜的电流——以及进入的钠离子的数量——因此它们不必花费太多的能量在峰值后将钠离子泵出。摄入较少的钠可能会导致较少的尖峰，但不知何故，食物剥夺的小鼠在视觉皮层神经元中保持了与喂养良好的小鼠相似的尖峰率。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尖峰。首先，神经元增加了它们的输入电阻，这降低了它们突触处的电流。他们还提高了静息膜电位，因此它已经接近发出尖峰所需的阈值。

西雅图艾伦脑科学研究所的计算神经科学家Anton Arkhipov说：“看起来大脑竭尽全力维持放电率。” “这告诉我们一些关于维持这些发射率有多重要的基本信息。”毕竟，大脑可以通过发射更少的脉冲来轻松节省能量。

但保持相同的脉冲速率意味着牺牲其他东西：小鼠的视觉皮层神经元不能对使它们发射的线方向具有选择性，因此它们的反应变得不那么精确。

低分辨率视图

为了检查视觉感知是否受到神经元精度降低的影响，研究人员将老鼠放在一个有两条走廊的水下室中，每条走廊都标有白色背景上不同角度的黑条图像。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。老鼠学会了将隐藏的平台与特定角度的条形图像相关联，但研究人员可以通过使图片角度更相似来使选择正确的走廊变得更加困难。

当正确和错误图像之间的差异很大时，缺乏食物的老鼠很容易找到平台。但是，当图像角度之间的差异小于 10 度时，突然间，缺乏食物的老鼠不再像吃饱的老鼠那样准确地区分它们。节约能源的结果是世界的分辨率略低。

结果表明，大脑优先考虑对生存最关键的功能。能够看到条形方向的 10 度差异对于寻找附近的水果或发现接近的捕食者可能并不重要。

爱丁堡大学博士后研究员 Zahid Padamsey 领导了这项新研究，该研究展示了当老鼠被剥夺足够长的食物时，它们视觉系统中的皮层神经元如何进入“低功率模式”。

幸运的是，任何出现的模糊都不是永久性的。当研究人员给小鼠注射一剂瘦素（身体用来调节能量平衡和饥饿水平）时，他们发现了打开和关闭低功耗模式的开关。神经元恢复到对它们偏好的方向进行高精度响应，就这样，知觉缺陷消失了——所有这些都没有让老鼠摄入一点食物。

“当我们提供瘦素时，我们可以欺骗大脑以恢复皮质功能，”罗什福尔说。

由于瘦素是由脂肪细胞释放的，科学家认为它在血液中的存在很可能向大脑发出信号，表明动物处于食物充足且无需保存能量的环境中。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，从而将大脑切换到低功率模式。

“这些结果异常令人满意，”伦敦弗朗西斯·克里克研究所的神经科学家Julia Harris说。 “获得如此符合现有理解的美丽发现并不常见，”

扭曲神经科学？

新发现的一个重要含义是，我们对大脑和神经元如何工作的大部分了解可能都是从研究人员无意中进入低功耗模式的大脑中学到的。在神经科学研究之前和期间限制小鼠和其他实验动物可用的食物量是非常常见的，以激励它们执行任务以换取食物奖励。 （否则，动物通常宁愿坐在那里。）

“一个真正深刻的影响是，它清楚地表明限制食物确实会影响大脑功能，”罗什福尔说。她建议，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处发生的特定变化。

“如果我们想询问有关动物感知敏感性或神经元敏感性的问题，我们必须仔细考虑我们如何设计实验以及如何解释实验，”Glickfeld 说。

该结果还提出了新的问题，即其他生理状态和激素信号如何影响大脑，以及血液中不同水平的激素是否会导致个体对世界的看法略有不同。

哥本哈根大学的神经科学家Rune Nguyen Rasmussen指出，人们的瘦素和整体代谢特征各不相同。 “那么，这是否意味着，即使我们的视觉感知——尽管我们可能没有意识到——实际上在人类之间也是不同的？”他说。

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。老鼠的有意识的视觉感知似乎受到了食物剥夺的影响，因为这些感知的神经元表现和动物的行为发生了变化。然而，我们无法确定，“因为这需要动物能够向我们描述它们的定性视觉体验，而显然它们不能做到这一点，”他说。

但到目前为止，也没有任何理由认为小鼠视觉皮层神经元所产生的低功率模式及其对感知的影响在人类和其他哺乳动物中不会相同。

“这些是我认为对神经元非常重要的机制，”Glickfeld 说。

编者按：Nathalie Rochefort 是 Simons Initiative for the Developing Brain 的董事会成员，该计划由 Simons 基金会资助，该基金会是这本编辑独立杂志的赞助商。 Maria Geffen 是广达咨询委员会的成员。