什么都不想很困难

放假了,本应是是个放松的时候,但有工作的事经常在脑海中挥之不去。
大脑中经常有一首歌的旋律萦绕,想要停止却很难做到。
上面的场景我们经常遇到。科学家发现,要停止思考一件事情,可能比去思考一件事要难。这篇发表在Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism上的文章用计算机模拟的方法建模了兴奋性神经元、抑制性神经元以及星形胶质细胞相互作用时的代谢过程。发现抑制性神经元工作时消耗的能量最多,而且不可能持续很长时间。这就提示了为什么我们很难停止思考一件事情——抑制性神经元持续工作。文章具体细节不是很熟悉,因此翻译了ScienceDaily的一篇报道。

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为什么什么都不想这么困难:停止思考吞噬大脑能量
想知道为什么想要在假期中忘掉工作,或者想停止脑中一遍遍重复的恼人的歌曲这么困难?
凯斯西储大学的数学家可能找到了部分答案。
他们发现,正如思考消耗能量一样,停止思考同样消耗能量——就像要停住正在下坡的卡车一样。
“也许这就是为什么放松和什么都不想这么累,”Daniela Calvetti说。她是一位数学教授,这项新研究的作者之一。他们的工作发表在在线优先出版的《大脑血流与代谢杂志》上 (Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism)。
打开大脑以详细监测大脑活动是不切实际的。因此,为了了解能量使用情况,Calvetti与数学教授Erkki Somersalo以及Rossana Occhipinti合作。Occhipinti因为这一工作在去年获得数学博士学位,现在他在凯斯西储大学生理学与生物物理学系做博士后研究员。他们提出了方程和统计方法,并建立了大脑代谢的计算机模型。
这项研究的计算机模拟使用了Metabolica软件——它是Calvetti和Somersalo为研究复杂代谢系统而设计的。该软件可以对连接产生思维的兴奋性神经元和刹车作用的抑制性神经元之间的通路,以及星形胶质细胞进行数字呈现。星形胶质细胞支持这两种神经元的基本化学和功能需求。
要停止一个想法,大脑使用抑制神经元防止信息从一个兴奋神经元传递到另一个神经元。
“神经元的抑制作用就像是一个牧师在说,'不要做它,”Calvetti说。“牧师神经元”通过释放伽玛氨基丁酸 (通常称为GABA)来阻断信息。GABA抵消了兴奋性神经元释放的神经递质谷氨酸的作用。
谷氨酸打开突触的大门。GABA将大门关闭。
“星形胶质细胞,是大脑中的灰姑娘。她消耗大量的氧气,清除和循环再造GABA和谷氨酸,”Somersalo说。
虽然大脑代谢与血氧动力学的关系还没有完全理解,但可以认为运送更多的氧气需要更多的血流量。
总之,“保持抑制状态的消耗是令人惊讶的,”他说。
这一研究组计划用模拟的方法更紧密地同时比较兴奋性与抑制性神经元的能量消耗过程。
研究人员虽然在做基础的科学研究,但他们的目标是解决人类的实际问题。
脑疾病或损伤状况往往难以诊断,直到晚期阶段。但是大多数脑功能损伤都与能量代谢有关。因此理解代谢的正常状态可帮助医生在早期发现问题。
抑制作用的代价可能与某些神经退行性疾病有关。“这是真正激动人心的”Somersalo说。

原文:
Rossana Occhipinti, Erkki Somersalo, Daniela Calvetti. Energetics of inhibition: insights with a computational model of the human GABAergic neuron–astrocyte cellular complex. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 2010; DOI: 10.1038/jcbfm.2010.107 

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