想象一下，你幾乎要睡著了，斜躺在戶外的躺椅上，膝蓋上放著一本雜誌。突然，一隻蒼蠅落在你的胳膊上。你拿起雜誌，拍打了一下蟲子。蒼蠅落在你胳膊上之後，你的大腦裡發生了什麼？在那之前又發生了什麼？長期以來，許多神經科學家一直認為，當你的大腦處於休息狀態時，你頭部內部的大部分神經活動與你平靜、昏昏欲睡的情緒相符。在他們看來，休息狀態下大腦的活動只不過是隨機噪聲，類似於電視螢幕上沒有頻道時出現的雪花圖案。然後，當蒼蠅落在你的前臂上時，大腦專注於有意識的任務——拍死蟲子。但是，神經影像技術最近的分析揭示了一些非常Remarkable的事情：當一個人坐下來什麼都不做的時候，大腦中正在發生大量的有意義的活動。
事實證明，當你的大腦處於休息狀態時——比如，當你安靜地在椅子上做白日夢、睡在床上或為手術麻醉時——分散的大腦區域正在互相喋喋不休地交談。這種持續活躍的資訊傳遞所消耗的能量，被稱為大腦的預設模式，大約是 大腦在有意識地對討厭的蒼蠅或其他外部刺激做出反應時所用能量的20倍。事實上，我們大多數有意識地做的事情，無論是坐下來吃晚餐還是發表演講，都標誌著與大腦預設模式的基線活動有所不同。
理解大腦預設模式的關鍵在於發現了一種以前未被識別的大腦系統，它被稱為大腦的預設模式網路（DMN）。DMN在組織神經活動中的確切作用仍在研究中，但它可能協調大腦組織記憶和各種需要為未來事件做準備的系統的方式：當您感覺到蒼蠅在手臂上撓癢癢時，大腦的運動系統必須啟動並準備就緒。DMN可能在同步大腦的所有部分中起著至關重要的作用，這樣，就像田徑比賽中的賽跑運動員一樣，當發令槍響起時，他們都處於適當的“準備”模式。如果DMN確實為有意識的活動做準備，那麼對其行為的研究可能會為意識體驗的本質提供線索。此外，神經科學家有理由懷疑，DMN的紊亂可能是簡單的精神錯誤以及從阿爾茨海默病到抑鬱症等一系列複雜腦部疾病的潛在原因。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
探測暗能量
大腦可能一直處於忙碌狀態的想法並不新鮮。漢斯·伯格是這一概念的早期倡導者，他發明了我們熟悉的腦電圖，該裝置透過圖形上的一組波浪線記錄大腦中的電活動。伯格在他1929年發表的關於其發現的開創性論文中，從該裝置檢測到的持續不斷的電振盪中推斷出，“我們必須假定中樞神經系統始終處於相當活躍的狀態，而不僅僅是在清醒時。”
但是，即使在無創成像方法成為神經科學實驗室的固定裝置之後，他對大腦功能的看法在很大程度上仍被忽視。首先，在1970年代後期，出現了正電子發射斷層掃描（PET），它測量葡萄糖代謝、血流和氧氣攝取量，作為神經元活動程度的指標，隨後在1992年出現了功能性磁共振成像（fMRI），它出於相同的目的測量大腦的氧合作用。這些技術完全有能力檢測大腦活動，無論是否集中，但是大多數研究的設計無意間給人一種印象，即大多數大腦區域在被要求執行某些特定任務之前都保持相當安靜的狀態。
通常，進行影像實驗的神經科學家試圖查明產生特定感知或行為的大腦區域。用於定義此類區域的最佳研究設計只是比較兩種相關條件下的大腦活動。例如，如果研究人員想檢視哪些大腦區域在朗讀單詞（“測試”條件）而不是默默地觀看相同的單詞（“控制”條件）期間很重要，他們將尋找這兩種條件影像中的差異。為了清楚地看到這些差異，他們基本上會從發聲影像中減去被動閱讀影像中的畫素；保留“點亮”區域的神經元活動將被認為是朗讀所必需的活動。任何被稱為內在活動的恆定背景活動都將被留在剪輯室的地板上。以這種方式表示資料使人們很容易想象大腦區域在給定行為期間“開啟”，就好像它們在特定任務需要之前一直處於非活動狀態一樣。
但是，多年來，我們小組和其他小組對某人只是休息並讓思想漫遊時發生的事情感到好奇。這種興趣源於各種研究中的一系列暗示，這些暗示表明了這種幕後活動的程度。
一個線索來自對影像的簡單目視檢查。圖片顯示，大腦許多區域的區域在測試條件和控制條件下都非常繁忙。部分原因是由於這種共享的背景“噪聲”，因此透過檢視單獨的原始影像來區分任務與控制狀態是困難的（如果不是不可能的），並且只能透過應用複雜的計算機化影像分析來實現。
進一步的分析表明，執行特定任務會使大腦的能量消耗增加不到基本基線活動的5％。總體活動的一大部分（佔大腦使用的所有能量的60％至80％）發生在與任何外部事件無關的電路中。為了向我們的天文學家同事致敬，我們小組將這種內在活動稱為大腦的暗能量，這是對也代表宇宙大部分質量的看不見的能量的引用。
當觀察到來自感官的多少資訊實際到達大腦的內部處理區域時，也出現了關於神經暗能量存在的問題。例如，視覺資訊在從眼睛傳遞到視覺皮層時會顯著退化。
在我們周圍的世界中幾乎無限的資訊中，相當於每秒100億位元的資訊到達眼睛後部的視網膜。由於連線到視網膜的視神經只有一百萬個輸出連線，因此每秒只有六百萬位元可以離開視網膜，而每秒只有10,000位元到達視覺皮層。
經過進一步處理後，視覺資訊會饋入負責形成我們有意識感知的腦區域。令人驚訝的是，構成有意識感知的資訊量每秒不到100位元。如果大腦只考慮這些，如此細的資料流可能無法產生感知；內在活動必須發揮作用。
大腦內在處理能力的另一個跡象來自對突觸數量的計數，突觸是神經元之間的接觸點。在視覺皮層中，專用於傳入視覺資訊的突觸數量不到現有突觸數量的10％。因此，絕大多數必須代表該大腦區域中神經元之間的內部連線。
發現預設模式
這些關於大腦內在生命的暗示已得到充分證實。但是，需要對大腦內在活動的生理機能以及它可能如何影響感知和行為有所瞭解。令人高興的是，在PET研究期間偶然且令人困惑的觀察結果，後來被fMRI證實，使我們走上了發現DMN的道路。
在1990年代中期，我們意外地注意到，令人驚訝的是，當受試者執行某些任務時，某些大腦區域的活動水平從基線靜息狀態降低了。這些區域（特別是內側頂葉皮層的一部分，該區域位於大腦中部附近，參與記憶個人生活中的事件等）在其他區域參與執行定義的任務（例如朗讀）時，記錄到這種下降。感到困惑，我們將顯示最大程度抑制的區域標記為MMPA，即“內側神秘頂葉區域”的首字母縮寫。
然後進行的一系列PET實驗證實，當大腦未從事有意識的活動時，遠非閒置狀態。實際上，MMPA以及大多數其他區域都保持持續活躍狀態，直到大腦專注於某些新穎的任務為止，此時某些內在活動區域的活動會降低。起初，我們的研究遇到了一些懷疑。1998年，我們甚至有一篇關於此類發現的論文被拒絕，因為一位審稿人認為，報告的活動減少是我們資料中的錯誤。審稿人斷言，這些迴路實際上是在休息時接通，而在任務期間斷開。但是，其他研究人員複製了我們在內側頂葉皮層和內側前額葉皮層（參與想象他人正在思考的事情以及我們情緒狀態的方面）方面的結果。這兩個區域現在都被認為是DMN的主要樞紐。
DMN的發現為我們提供了一種考慮大腦內在活動的新方法。在這些出版物發表之前，神經生理學家從未像我們考慮視覺或運動系統那樣考慮這些區域是一個系統——作為一組相互通訊以完成工作的離散區域。大腦在休息時可能會在多個區域表現出這種內部活動的想法逃過了神經影像機構的注意。DMN是否單獨表現出這種特性，還是它更普遍地存在於整個大腦中？在我們理解和分析fMRI的方式中的一個令人驚訝的發現為我們提供了回答此類問題所需的突破口。
fMRI訊號通常被稱為血氧水平依賴性訊號或BOLD訊號，因為成像方法依賴於血流變化引起的人腦中氧氣水平的變化。從大腦任何區域獲得的BOLD訊號在安靜的靜止狀態下觀察時，緩慢波動，週期大約每10秒發生一次。如此緩慢的波動被認為是純粹的噪聲，因此簡單地消除了掃描器檢測到的資料，以便更好地解決被成像的特定任務的大腦活動。
丟棄低頻訊號的明智性在1995年受到質疑，當時威斯康星醫學院的巴拉特·比斯瓦爾及其同事觀察到，即使受試者保持不動，控制右手運動的大腦區域中的“噪聲”也與大腦另一側與左手運動相關的區域中的類似活動同步波動。在2000年代初期，斯坦福大學的邁克爾·格雷西烏斯及其同事在靜息狀態的受試者中發現了DMN中相同的同步波動。
由於人們對DMN在大腦功能中的作用的興趣迅速增加，格雷西烏斯小組的發現激發了全球實驗室（包括我們自己的實驗室）的一系列活動，在這些活動中，所有噪聲，主要大腦系統的內在活動都被繪製出來。這些非凡的活動模式甚至在全身麻醉和淺睡眠期間也出現，這表明它們是大腦功能的基本方面，而不僅僅是噪聲。
從這項工作中可以清楚地看出，DMN僅佔整體內在活動的一部分（儘管是至關重要的一部分），並且大腦功能的預設模式的概念擴充套件到所有大腦系統。在我們的實驗室中，廣義預設模式的發現首先來自對被稱為慢皮層電位（SCP）的大腦電活動研究的檢查，其中神經元組大約每10秒發射一次。我們的研究確定，在BOLD影像中觀察到的自發波動與SCP相同：使用不同感測方法檢測到的相同活動。
然後，我們繼續研究SCP的目的，因為它們與其他神經電訊號有關。正如伯格首先表明的那樣，並且無數其他人後來證實，大腦訊號傳導由廣泛的頻率頻譜組成，範圍從低頻SCP到超過每秒100個週期的活動。神經科學中的巨大挑戰之一是瞭解不同頻率訊號如何相互作用。
事實證明，SCP具有影響力。我們自己的工作和其他人的工作都表明，高於SCP頻率的電活動與SCP的振盪或相位同步。正如馬蒂亞斯·帕爾瓦及其赫爾辛基大學的同事最近觀察到的那樣，SCP的上升階段會產生其他頻率訊號活動的增加。
交響樂團提供了一個恰當的比喻，其整合的聲音掛毯來自多種樂器以相同的節奏演奏。SCP相當於指揮的指揮棒。這些訊號不是為一系列樂器保持節奏，而是協調每個大腦系統訪問在複雜、瞬息萬變的世界中生存所需的龐大記憶和其他資訊的許可權。SCP確保在完全正確的時間以協調的方式進行正確的計算。
但是大腦比交響樂團更復雜。每個專門的大腦系統（一個控制視覺活動，另一個啟動肌肉）都表現出其自身的SCP模式。混亂得以避免，因為並非所有系統都是平等的。來自某些大腦區域的電訊號優先於其他區域。在這個等級結構的頂部是DMN，它充當超級指揮，以確保來自一個系統的競爭訊號的嘈雜聲不會干擾來自另一個系統的訊號。這種組織結構並不令人驚訝，因為大腦不是獨立系統之間的自由放任，而是相互依存的元件的聯邦。
同時，這種複雜的內部活動有時必須讓位於外部世界的需求。為了適應這種情況，當需要警惕以應對新穎或意外的感官輸入時，DMN中的SCP會減少：您突然意識到您答應在下班回家的路上買一盒牛奶。一旦對集中注意力的需求減少，內部SCP訊息傳遞就會恢復。大腦不斷地與平衡計劃響應和當下需求的需要作鬥爭。
意識與疾病
DMN的起伏可能為了解大腦最深奧的奧秘提供見解。它已經為科學家提供了關於注意本質的有趣見解，注意是意識活動的基本組成部分。2008年，一個跨國研究人員團隊報告說，透過觀察DMN，他們可以在掃描器中的受試者即將在計算機測試中犯錯之前的最多30秒內分辨出來。如果在那個時候，預設網路接管，並且參與集中注意力的區域的活動減弱，則會發生錯誤。
在未來的幾年中，大腦的暗能量可能會為意識的本質提供線索。正如大多數神經科學家所承認的那樣，我們與世界的有意識互動只是大腦活動的一小部分。在意識水平以下發生的事件（大腦的暗能量就是其中之一）對於為我們在狹小的意識視窗中體驗到的事物提供背景至關重要。
除了為了解日常體驗背後的幕後事件提供一瞥之外，對大腦暗能量的研究可能為理解主要的神經系統疾病提供新的線索。完成這項練習不需要腦力體操或複雜的動作。受試者只需靜靜地呆在掃描器內，而DMN和其他暗能量中心則默默地運轉。
這種型別的研究已經為疾病提供了新的啟示。腦成像研究發現，阿爾茨海默病、抑鬱症、自閉症甚至精神分裂症患者的DMN區域的大腦細胞之間的連線發生了改變。事實上，阿爾茨海默病有一天可能會被定性為DMN的疾病。阿爾茨海默病影響的大腦區域的投影與構成DMN的區域的地圖完全吻合。這種模式不僅可以作為診斷的生物學標誌物，還可以為深入瞭解疾病的原因和治療策略提供幫助。
展望未來，研究人員現在必須嘗試收集關於大腦系統之間和內部的協調活動如何在單個細胞水平上運作，以及DMN如何導致化學和電訊號透過大腦回路傳輸的資訊。然後將需要新的理論來整合有關細胞、迴路和整個神經系統的資料，以產生更廣泛的圖景，說明大腦的預設功能模式如何充當其暗能量的主組織者。隨著時間的推移，神經暗能量最終可能會被揭示為使我們運轉的本質。