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簡單的問題才會(huì)難死科學(xué)家。比如用腦多了為何會(huì)勞累？

撰文 | 孫滔

審校 | 二七、clefable

激烈的運(yùn)動(dòng)會(huì)消耗大量碳水化合物，所以我們會(huì)感到疲勞，那么坐著不動(dòng)的腦力勞動(dòng)所產(chǎn)生的疲憊來自何處呢？

答案或許并不是碳水化合物的消耗。

碳水無罪

科學(xué)常常顛覆我們的想當(dāng)然。比如疲勞并非我們的進(jìn)化缺陷，恰恰相反，它是人體的一種自我保護(hù)機(jī)制，是一種腦衍生的調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)行為的感知。當(dāng)我們大量使用肌肉時(shí)，其中存儲(chǔ)的糖原大量轉(zhuǎn)化成乳酸，讓肌肉感到酸痛，而酸痛感增強(qiáng)會(huì)促使人停下來，進(jìn)而避免肌肉過度使用和能量過度消耗帶來的傷害。

起初，科學(xué)家也認(rèn)為碳水化合物大量消耗和腦疲勞有關(guān)，然而這一猜測并不總是站得住。我們經(jīng)?？吹绞澜绫悎錾献闱蜻\(yùn)動(dòng)員做出一個(gè)行為：他們拿起一瓶飲料灌一大口，卻不會(huì)吞咽下去而只是漱口吐出來，隨后就活力十足再次上場了。研究表明，這種用碳水飲料漱口 5 到 10 秒，然后吐出，就可以在持續(xù)約 1 小時(shí)的高強(qiáng)度活動(dòng)中提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。有推測是，碳水化合物漱口沒有提高血糖水平，但口腔中的碳水化合物受體激活了大腦的某些區(qū)域，從而 " 欺騙 " 了大腦，讓人忘記疲憊，這樣還可以避免激烈運(yùn)動(dòng)中大量攝入飲料帶來的胃腸道不適。當(dāng)然，這種只入口而不入腹的做法不適用于馬拉松。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，含有碳水化合物的漱口水會(huì)激活紋狀體中的多巴胺能通路，即大腦中與獎(jiǎng)勵(lì)反應(yīng)相關(guān)的區(qū)域，這讓大腦會(huì)誤以為獎(jiǎng)勵(lì)出現(xiàn)了（另一種望梅止渴）。并且，與飲入相比，只入口而不入腹的漱口對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的影響更大。這些研究表明，即使碳水化合物不直接為人體提供能量，也能影響運(yùn)動(dòng)持久性和表現(xiàn)。

用腦帶來的疲勞問題則更加微妙。1915 年，意大利生理學(xué)家安吉洛 · 莫索（Angelo Mosso）就認(rèn)為，大腦是獨(dú)一無二的，是唯一不因饑餓（而萎縮）的器官。他提出，" 如果大腦是物質(zhì)代謝最活躍的器官，那么當(dāng)身體其他部分消瘦時(shí)，如何解釋大腦重量并沒有減少這一事實(shí)呢？"（現(xiàn)在的研究已經(jīng)證實(shí)大腦也會(huì)受到饑餓的影響，當(dāng)體內(nèi)的能量不足時(shí)，大腦會(huì)促使人進(jìn)食，而無法得到能量時(shí)，大腦執(zhí)行功能的精細(xì)程度會(huì)降低。）

美國西北大學(xué)丹尼爾 · 摩爾登（Daniel Molden）等人設(shè)計(jì)了精確的實(shí)驗(yàn)室測量研究，發(fā)現(xiàn)用腦并不會(huì)影響血糖水平，也就是不會(huì)增加碳水化合物的代謝速率。

不過科學(xué)家也猜測，正常情況下，碳水化合物并不會(huì)影響持續(xù)用腦，但也不排除在某些情況下可能提高大腦功能表現(xiàn)，同樣，用碳水化合物持續(xù)漱口也可能隨著時(shí)間的推移而減弱 " 欺騙 " 大腦的效果。

但是，如果沒有物質(zhì)代謝層面的原因，就無法解釋大腦疲勞的生物學(xué)意義，因?yàn)槟菢拥脑捨覀兺耆梢詿o休止地進(jìn)行腦力工作。

于是科學(xué)家假設(shè)，用腦會(huì)產(chǎn)生一些廢物，而這些廢物是有毒的，或者用腦會(huì)消耗一些用于認(rèn)知的關(guān)鍵代謝產(chǎn)物，而這些代謝產(chǎn)物需要時(shí)間重新產(chǎn)生，才能支持后續(xù)的大腦活動(dòng)。這時(shí)，谷氨酸就進(jìn)入了科學(xué)家的視野。

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量化疲勞

將谷氨酸作為懷疑對(duì)象是有理由的。此前科學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，大腦中過多的谷氨酸會(huì)成為一種毒素，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞過度興奮，以至于腦細(xì)胞損傷與死亡，帕金森病、慢性疲勞綜合征以及焦慮癥、精神分裂癥等等均與此有關(guān)。

谷氨酸是大腦中最豐富的神經(jīng)遞質(zhì)，也就是在神經(jīng)元之間傳遞信息信號(hào)分子，在學(xué)習(xí)和記憶中扮演了重要角色。谷氨酸由神經(jīng)細(xì)胞制造，儲(chǔ)存在軸突末端的囊泡中，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞將 " 使用過的 " 谷氨酸轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺，當(dāng)被輸送回神經(jīng)細(xì)胞的末端區(qū)域時(shí)，谷氨酰胺又被轉(zhuǎn)化回谷氨酸。要想讓大腦正常運(yùn)作，就必須讓它在合適的時(shí)間保持恰當(dāng)?shù)臐舛炔判小?/p>

2022 年 8 月，法國科學(xué)家發(fā)表的一項(xiàng)研究把這個(gè)懷疑推進(jìn)了一大步。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人們?cè)趨⒓訙y試任務(wù)超過 6 小時(shí)后，大腦中谷氨酸含量就會(huì)增加。疲憊與神經(jīng)系統(tǒng)代謝物竟有如此顯著的關(guān)系，這項(xiàng)發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）的研究注定引來關(guān)注。

巴黎大腦研究所安東尼烏斯 · 維勒（Antonius Wiehler）等人把與復(fù)雜智力有關(guān)的大腦外側(cè)前額葉皮層（LPFC）作為研究重點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)人們精神疲憊時(shí)，該區(qū)域就會(huì)變得不那么活躍。他們利用磁共振波譜（MRS）技術(shù)測量了人體大腦中 8 種化學(xué)物質(zhì)的濃度水平，其中就包括谷氨酸。

共有 40 人參與了這項(xiàng)持續(xù)超過 6 個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，分為困難組和簡單組。其中 26 名參與者參與困難任務(wù)，另外 14 人參與更簡單的任務(wù)。困難組枯燥的測試足夠折磨人，他們需要緊盯電子屏幕上快速閃現(xiàn)的字母，或者需要辨別顏色、大小寫以及元音和輔音，還可能需要指出當(dāng)前字母是否與前 N 次中出現(xiàn)過的字母相同。

實(shí)驗(yàn)中 26 名參與者參與困難任務(wù)組，14 人參與簡單任務(wù)組。困難組需要緊盯電子屏幕上快速閃現(xiàn)的字母，或者需要辨別顏色、大小寫以及元音和輔音，還可能需要指出當(dāng)前字母是否與前 N 次中出現(xiàn)過的字母相同。（圖片來源：Current Biology）

原來疲勞是可以量化的：結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與簡單測試的參與者相比，困難組參與者大腦中谷氨酸含量較高（上升了約 8%），而其他 7 種測試的化學(xué)物質(zhì)濃度沒有增加。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，困難組參與者在試驗(yàn)完畢后決策能力下降，比如他們?cè)跍y試后選擇了當(dāng)下較少數(shù)額現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)，而放棄了一段時(shí)間后更大的獎(jiǎng)勵(lì)。

但該研究也引發(fā)了爭議，其中一個(gè)爭議是，這項(xiàng)研究只展現(xiàn)了相關(guān)性，也就是說腦過度與大腦氨基酸積聚同時(shí)出現(xiàn)，但并不能證明這兩件事之間存在因果關(guān)系。

維勒也承認(rèn)，論文距離證實(shí)用腦過度導(dǎo)致谷氨酸積聚的結(jié)論還很遠(yuǎn)。作者還表示，他們的測量技術(shù)還不夠靈敏。例如，研究沒有鎖定大腦與疲勞有關(guān)的精確位置，且由于數(shù)據(jù)采集需要 10 分鐘左右，那么就沒辦法得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，無法知道哪些特定任務(wù)對(duì)谷氨酸積聚影響更大。另外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法區(qū)分谷氨酸和其轉(zhuǎn)化物谷氨酰胺。

此外，對(duì)于為什么認(rèn)知控制區(qū)域會(huì)比視覺皮層等其他區(qū)域更多地積累谷氨酸，這仍然缺乏解釋。普林斯頓大學(xué)神經(jīng)科學(xué)教授喬納森 · 科恩（Jonathan Cohen）在接受《科學(xué)》雜志采訪時(shí)表示，為了處理面部識(shí)別這類艱巨的任務(wù)，大腦必須有一個(gè)更復(fù)雜的計(jì)算系統(tǒng)來分配精力，可能不只是積累或消耗代謝物這么簡單。

好消息是，研究發(fā)現(xiàn)睡眠期間大腦谷氨酸濃度會(huì)降低，這可能是睡眠期間大腦消除了潛在有毒物質(zhì)。

用腦為何會(huì)勞累，這實(shí)錘答案沒那么容易到手。是還是不是（To be, or not to be），問題仍在。