Myrian Wares 为 Quanta Magazine 撰稿 ## 介绍  经过康纳·费利 特约撰稿人 — 2025年6月4日 — 查看 PDF/打印模式 生物学大脑认识认知科学活力进化代谢神经元神经科学生理所有主题 （打开新标签页） 你刚刚结束一天的劳累回到家，只想放松一下，看看电视上的节目。虽然这种不活动的状态感觉像是应得的休息，但你的大脑却不仅仅是放松而已。事实上，根据最近的研究，它消耗的能量几乎和你在紧张的活动中所消耗的能量一样多。 莎娜·贾马达（打开新标签页）澳大利亚莫纳什大学的神经科学家和她的同事回顾了她实验室和世界各地其他实验室的研究，以估计认知的代谢成本（打开新标签页）——也就是说，驱动人类大脑需要多少能量。令人惊讶的是，他们得出的结论是，费力的、有目标的任务仅比安静的大脑活动多消耗5%的能量。换句话说，我们在进行专注认知时，大脑的消耗量只比发动机空转时多一点点。 我们常常感觉自己是通过高度集中注意力来分配精神能量的。但这项新研究建立在一种日益增长的理解之上，即大脑的大部分功能都用于维持。虽然许多神经科学家历来关注主动的、外在的认知，例如注意力、解决问题、工作记忆和决策，但越来越明显的是，在表面之下，我们的后台处理是一个隐藏的活动中心。我们的大脑调节着我们身体的关键生理系统，在我们有意识和无意识地对不断变化的环境需求做出反应时，将资源分配到需要的地方。 乔丹·塞里奥特说：“有一种观点认为，大脑是用来思考的。”（打开新标签页）东北大学神经科学家，未参与这项新分析。“从代谢角度来看，[大脑的功能]主要用于管理身体、调节和协调器官之间的功能、管理与其相连的这个昂贵的系统，以及应对复杂的外部环境。” 分享这篇文章 （打开新标签页） — 通讯 将《Quanta Magazine》杂志发送到您的收件箱 立即订阅 最近的新闻通讯（打开新标签页）

神经科学家 Sharna Jamadar 汇编了同时进行的 MRI 和 PET 成像数据来估算大脑的能量消耗。 梁艾玛 大脑并非纯粹的认知机器，而是一个由进化塑造的物体——因此受到生物系统严格的能量预算的限制。思考可能会让你感到疲倦，并非因为你能量耗尽，而是因为你进化出了保存资源的能力。这项关于神经代谢的研究，结合脑电活动动力学的研究，揭示了解释我们认知能力的局限性、范围和效率的相互竞争的进化力量。 ## 预测引擎的成本 人类大脑的运转成本极其高昂。大脑约占体重的2%，消耗着人体20%的能量资源。“它对新陈代谢的要求极高，”贾马达尔说道。对于婴儿来说，这个数字甚至接近50%。 大脑并不是一个纯粹的认知机器，而是一个经过进化塑造的物体。 大脑的能量以三磷酸腺苷 (ATP) 分子的形式存在，细胞利用葡萄糖和氧气合成ATP。脑组织中遍布着大量细小的毛细血管——估计长达400英里——将富含葡萄糖和氧气的血液输送到神经元和其他脑细胞。ATP 在细胞内合成后，为神经元之间的通讯提供能量，从而实现大脑的功能。神经元将电信号传递到突触，突触使细胞能够交换分子信息；信号的强度决定了它们是否会释放分子（或“激发”）。如果它们释放分子，该分子信号将决定下一个神经元是否会传递信息，依此类推。维持所谓的膜电位——跨神经元膜的稳定电压，确保细胞在受到召唤时做好激发的准备——已知至少占大脑总能量预算的一半。 直接测量人脑中的ATP水平具有高度侵入性。因此，Jamadar实验室在论文中回顾了相关研究（打开新标签页），包括他们自己的研究结果，这些研究使用了其他能量消耗的估计值——通过正电子发射断层扫描 (PET) 测量的葡萄糖消耗量，以及通过功能性磁共振成像 (fMRI) 测量的血流量——来追踪大脑在活动任务和休息期间能量消耗的差异。Jamadar 表示，如果同时进行 PET 和 fMRI 检查，它们可以提供大脑如何消耗葡萄糖的互补信息。但这并不能完全衡量大脑的能量消耗，因为神经组织也能转化一些氨基酸（打开新标签页）转化为ATP，但大脑中的ATP绝大多数是由葡萄糖代谢产生的。 贾马达尔的分析表明，执行主动任务的大脑比静息状态下的大脑仅多消耗5%的能量。当我们从事一项费力的、有目标的任务时，比如研究新城市的公交车时刻表，相关脑区或网络的神经元放电率会增加——在这个例子中，是视觉和语言处理区域。这解释了那额外的5%；剩下的95%则用于大脑的基础代谢负荷。

东北大学的神经科学家乔丹·特里奥特（Jordan Theriault）认为，大脑是一个预测引擎，它总是在为接下来发生的事情做计划。 马修·莫多诺/东北大学 研究人员尚不清楚这种负荷是如何分配的，但在过去的几十年里，他们已经弄清楚了大脑在后台究竟在做什么。“大约在90年代中期，我们开始从一门学科的角度认识到，当一个人躺着休息，并且没有明确地投入某项任务时，实际上会发生很多事情，”她说。“我们过去常常把与手头任务无关的持续性静息活动视为噪音，但现在我们知道，这些噪音中隐藏着很多信号。” 如果食物难以获得，[5%] 可能意味着生与死的区别。 大部分信号来自默认模式网络，它在我们休息或不进行任何明显活动时运作。这个网络参与了我们在过去、现在和未来场景之间游走的心理体验——比如晚餐想做什么、上周的记忆、臀部疼痛等等。此外，在意识的冰山之下，我们的大脑还在追踪各种生理变量——体温、血糖水平、心率、呼吸等等——这些变量必须保持稳定，处于一种被称为体内平衡的状态，才能维持我们的生命。如果其中任何一个变量偏离得太远，情况很快就会变得糟糕。 Theriault 推测，大脑的大部分基础代谢负荷都用于预测。为了实现体内平衡的目标，大脑需要时刻规划接下来会发生什么——建立一个复杂的环境模型，并预测环境变化可能如何影响身体的生物系统。Theriault 表示，预测，而非反应，能让大脑有效地向身体分配资源。 ## 大脑的进化限制 积极思考时增加5%的能量需求听起来可能不算多，但考虑到整个身体和能量饥渴的大脑，这可是个不小的负担。想想我们的祖先曾经承受的严苛能量限制，一天劳累过后感到疲惫就变得更容易理解了。

神经科学家扎希德·帕达姆西 (Zahid Padamsey) 研究了能量（或食物）的可用性如何影响大脑的进化。 拉斐尔·库尔贾雷特博士 “你感到疲劳的原因，就像你在体力活动后感到疲劳一样，并不是因为你没有摄入足够的热量来弥补，” Zahid Padamsey说（打开新标签页）威尔康奈尔医学院卡塔尔分校的神经科学家，他没有参与这项新研究。“这是因为我们进化成了非常吝啬的系统……我们在能量匮乏的环境中进化，所以我们讨厌消耗能量。” 现代社会对许多人来说，卡路里相对充足，这与智人进化时匮乏的环境形成了鲜明对比。在持续、积极、专注地完成20天的任务后，能量消耗率增加5%，相当于一整天的认知能量。如果食物难以获得，这可能意味着生死之间的差别。 “如果不限制消耗速度，随着时间的推移，这种消耗会非常显著，所以我认为这很大程度上是我们进化遗产的遗留，”帕达姆齐说。事实上，大脑内置了防止过度劳累的系统。“你会激活疲劳机制，防止进一步消耗，”他说。 为了更好地理解这些能量限制，Padamsey 于 2023 年总结了关于电信号某些特性的研究（打开新标签页）这表明，进化趋势是朝着更高效的能源方向发展的。首先，你可能会认为信息传输速度越快越好。但大脑的最佳传输速率远低于预期。 理论上，一个神经元能够有效激发并向其邻居发送信息的最高速度是 500 赫兹。然而，如果神经元真的以 500 赫兹的频率激发，系统就会完全不堪重负。最佳信息速率（打开新标签页）——神经元仍能区分来自邻近神经元信息的最快速度——是其一半，即 250 赫兹。 ## 有关的： — 1. 当你无所事事时你的大脑在做什么 2. 人工智能与大脑完全不同，这没关系 3. 大脑中神秘的液体流动 4. 大脑将想法和记忆映射成空间 然而，我们的神经元平均放电频率为4赫兹，比信息传输的最佳频率低50到60倍。此外，许多突触传递存在故障：即使电信号发送到突触，使其释放分子到下一个神经元，也只有20%的时间能够完成。 这是因为我们进化的目的并非最大化信息总量。“我们进化的目的是最大化单位ATP消耗的信息传输量，”帕达姆齐说。“这是一个截然不同的公式。” 以尽可能少的能量（单位ATP的比特数）发送最大量的信息，最佳神经元放电频率低于10赫兹。 从进化的角度来看，庞大而复杂的人类大脑提供了前所未有的行为复杂性——但同时也消耗了巨大的能量。大脑的灵活性和创新性与生物系统的能量限制之间的这种协调，决定了我们大脑传递信息的动态方式、我们在集中注意力一段时间后感受到的精神疲劳，以及大脑为维持我们生命而持续进行的工作。大脑在其有限能力范围内完成如此多的工作，着实令人惊叹。 https://www.quantamagazine.org/how-much-energy-does-it-take-to-think-20250604/ </markdown> Edit:2025.09.01 <markdown> </markdown> 讨论列表 AKP讨论 查看原帖及回帖