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大脑的工作模式和休息模式

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[十五言是个不错的地方。也许以后类似的文章都会现在那里发表,欢迎关注。]

大脑不休息
与人体其的他器官不同,大脑在人的一生中一直处在活动状态。从能量代谢的角度讲,肌肉在休息时的耗能几乎可以忽略不计,但在收缩运动时会消耗1000倍以上的能量。相反,大脑无论在工作还是休息时都要消耗大概身体总代谢量的20%。而在工作时的耗能水平只比休息时高5%。正是因为如此,休息时的大脑更应该被看成是一种独特的状态,而并不是简单的休息。圣路易斯华盛顿大学的Marcus Raichle等人在2001年时将这种状态 (resting-state)命名为默认模式 (default mode),并将一些在休息状态时神经活动更高的区域组成的网络称为为默认网络 (default mode network)。这一网络中的区域的神经活动在人执行特定的任务的时候反而会下降,通常认为是负责产生自发的想法以及无目的的思考。

对于大脑的休息状态,另一个重要的发现要追溯到1995年。当时在威斯康辛医学院的Bharat Biswal等人发现在完全没有运动的休息状态,大脑左右两侧运动皮层的fMRI信号仍然会显示出很强的相关性。fMRI技术是一种无创的记录脑活动的方法,它通过测量脑血流中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的比例间接地反映神经活动。这是一个非常重要的发现。因为之前虽然知道左右两侧的运动皮层在完成双手协调任务时会同时激活,但并没有人会想到人在没有动双手的时候负责控制两侧手的区域仍然会同步活动。这提示了一个大脑重要的属性。大脑中存在着自发的脑活动,而且这些自发脑活动不是杂乱无章的,而是有组织的。在接下来的一系列研究都发现,凡是已知的功能相关的脑区之间,在静息态时也都会显示出很强的相关。这一组组相互关联的区域就组成了不同的脑功能网络,比如视觉网络、运动网络和注意网络等等。这种使用静息态fMRI数据分析大脑功能网络的技术目前正日趋流行,而且是当前美国的人脑连接组项目(human connectome project)的基础技术之一。

既然休息时的脑活动已经能反映大脑的网络结构,那么,大脑活动时的状态又会有什么差别呢?大脑可以大致的分为两个系统:一个是之前提到的默认网络系统;另一个是负责各种具体任务的区域的集合,通常被称为任务正网络。这两个网络的神经活动是负相关的:一个网络的活动升高,另一个网络的活动就下降。在大脑执行具体…

Nature和Science上的fMRI/PET文章

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虽然短期内没有发Nature或Science的可能,但还是不妨仔细研究一下发表在上面的fMRI/PET论文。这样既有利于回顾历史上的重要研究,也能看出一些脑成像研究的发展趋势。

文章主要是我手动从Pubmed搜集的所有发表在Nature和Science上发表的文章。借助云端文献管理软件Mendeley,我分别建立了两个小组来分享发表在NatureScience上的脑成像文章。文章主要以fMRI和PET为主,也有少量的TMS研究。

这么多文章,一篇一篇看过去也是很有趣的。不过把这些文章整理一下,也可以找到一些有趣的趋势。比如,下图就是我统计的各年发表在Nature和Science上文章的数量。



从中可以看出,Nature中fMRI/PET文章发表的高峰在2000年左右,Science的高峰在2008年左右。而在近年,两个期刊发表的文章数量都有下降趋势。这应该不是fMRI文章发表数量降低导致。因为在Pubmed搜索"functional magnetic resonance imaging",可以看出相关fMRI文章的数量是一直上升的。可能是近年来有重大突破的文章越来越少了吧。



最后是根据Google Scholar引用数据统计出Nature和Science分别引用最高的10篇fMRI/PET文章 (序号后的数字表示引用数):

Nature
1. 2233
Petersen SE, Fox PT, Posner MI, Mintun M, Raichle ME, 1988. Positron emission tomographic studies of the cortical anatomy of single-word processing. Nature 331(6157):585-9.
2. 2179
Drevets WC, Price JL, Simpson JR Jr, Todd RD, Reich T, Vannier M, Raichle ME, 1997. Subgenual prefrontal cortex abnormalities in mood disorders. Nature 386(6627):824-7.
3. 1604
Cohen JD, Perlstein WM, Braver TS, Nystrom LE,…