经典长文| 大脑中的“暗物质”——沉默神经元 的过去与未来
大脑中消耗的大部分能量被用于维持神经元和神经回路的活动。然而，对于麻醉及自由活动动物的长期电生理和神经影像学研究表明，在完整的大脑中，绝大多数神经细胞不会激发出动作电位，也就是说，长期保持沉默。
最近的研究数据表明在哺乳动物神经系统中存在着大量冗余的神经细胞，这些神经细胞均处于抑制状态并且维持高耗能水平。这些休眠的神经元及环路是在进化过程中形成的，但由于避开了常规的功能任务，因此，它们远离了自然选择的范围。
然而，在压力和疾病的影响下，它们偶尔会转变为活跃状态，进而可导致多种神经及心理疾病症状和行为异常。越来越多的证据表明了沉默神经元的广泛存在，因此，需要对大脑的功能模型进行适当的修正，为功能恢复及可塑性提供尚未预知的空间。
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1610年，伽利略将望远镜指向夜空，在科学的发展史中留下了有着里程碑意义的一章。他的发现永远地改变了天文学及科学理论，改变了我们对于宇宙的理解，改变了我们对于自己在宇宙中的位置的认知。通过望远镜这个简单而强大的工具的帮助，伽利略得到了一些突破性的成果，包括发现月球粗糙的表面、木星的卫星，以及更重要的，他发现了肉眼可见范围之外无垠的宇宙及散布其中数不清的星群。
在遥远的当时，伽利略并没有意识到在这未知而不可触及的空间中，除了可见的天体及尘埃之外，还隐匿着无数我们现在称之为“暗物质”的不可见物质。
在天文学中，暗物质是指假设的宇宙组成部分，它不具有电磁辐射或不与电磁辐射相互作用，因此是不可见的。根据最近的估算，包括暗能量在内的暗物质组成了宇宙中至少95%的总能量，伽利略等先人曾经观察、凝望过天体仅承载了至多5%的能量。
大约四个世纪后，遗传学的进步，特别是基因测序技术的进步，推动了另一项科学突破，但这一次是在分子生物学上。2003年，人类基因组计划的完成，揭示了人类基因组中所有的约30亿个碱基对，令人惊讶的是，只有一小部分DNA是用于编码人类蛋白质的基因。
与天文学家相似，生物学家将这些物质称为基因组“暗物质”，它构成了整个基因结构的98%。这些基因最初被认为是在自然进化进程中处于休眠和分裂状态的DNA遗留物，随后，这些非编码基因被发现包含着丰富的调控元素，并且具有微调某些特定基因或基因聚类的活性的能力。
事实上，保留在非编码DNA序列中的部分过时指令有时会以一种或另一种形式重新出现，并通过重新激活基本的祖先特征来体现。这些发现表明，在整个进化过程中，大量看似消失的遗传信息仍然保持在一种潜伏的状态，并能够重新回来继续发挥作用、产生影响。
与天文学和基因组学研究相似，功能性脑成像的进展也高度依赖于尖端技术和研究工具的发展。Hans等人在功能性脑研究中取得了重大突破，这些突破使研究者可以利用非侵入性的方法观察大脑在特定任务中的活动和代谢状态等。这类研究可以将特定的大脑结构与特定的神经功能联系起来，以比较正常人和患者大脑活动的差异，进而找到可帮助诊断心理或神经系统疾病的关键信息。
就像在天文学和基因组学研究中一样，神经科学研究和脑成像的突破性进展逐步揭示了大脑功能模型中重要的、令人惊叹的未知领域。特别地，对与大脑活动相关的能量消耗变化的分析表明，休息时卡路里的基础消耗是非常稳定的，处理环境输入信息所需的额外能量仅占总能量使用量的很小比例（~1%）。一般认为，大脑消耗的大部分能量都用于维持内在活动，但吸收大量卡路里的过程及功能仍有待确定。
根据Raichle的说法，大脑环路的代谢状态可能是导致神经活动的原因，而不是神经活动的结果，并且其中大部分的神经能量消耗还未计算在内。最近基于PET及fMRI的研究表明，重量仅占体重2%的大脑对葡萄糖和氧气有着的强烈需求，其消耗的能量超过人体消耗总能量的20%。目前，对这一现象的分析受到成像方法的灵敏度和分辨率的限制，包括无法区分兴奋和抑制性特征等问题。
值得注意的是，将血流动力学测量与放射自显影研究相结合表明，与兴奋性相似，抑制性作用可能由于GABA对微血管动力学的影响而与神经组织灌注增加和代谢活动增加有关。
有研究表明，在麻醉及清醒状态的动物脑中，绝大部分神经元（60-90%）均处于永久沉默的状态（即不产生动作电位）或表现出非常微弱的活动（表1）。这些发现不仅引发了有关非活动神经元在脑能量消耗中所占比例的问题，而且也引发了有关它们的神经化学特性、系统发育起源和在功能性脑模型中所在位置的问题。
表1：神经系统中沉默神经元相关研究汇总
而最新的实验研究数据表明大量的非活动神经元不是实验干预的结果，而是反映了大脑活动的一般状态。作者认为，这些神经元可以由于选择性功能丧失而产生，这将有助于休眠的神经元保持在永久抑制的状态，以起到对神经进化的高度保护作用。
回顾以往通过去抑制来激活沉默神经元和回路的例子，会发现这可以在精神和行为层面产生了一系列影响。由此，被持续抑制的神经环路可能可以为可塑性和新功能化提供巨大的储备，并产生令人振奋或颠覆性的结果。
休息及活跃状态大脑中的沉默神经元
研究大脑功能的基础包括研究神经元活动，涉及物理和神经化学变化。PET及fMRI可使动物及人脑的活动可视化，然而，这两种方法均受到时间或空间的限制，无法将读数对应至特定的神经生理机制。为了监测神经环路的活动并将数据与大脑的能量消耗直接联系起来，需要在高空间和时间分辨率下获得描述单个神经元功能动力学的数据。
细胞钙成像技术提供了一种基于感知细胞内游离Ca2+从而跟踪神经元和神经元诱发放电活动变化的极好方法。长期的钙成像结果表明，绝大多数神经细胞永久性处于静息状态，或对于外部感官输入只产生一个相对较小的动作电位。例如，在大鼠的初级听觉皮层中，只有不到10%的神经元经外部声音刺激产生动作电位。对于嗅球、初级视皮层、感觉皮层等其他区域的研究也显示了类似的结果。
神经生理检测的结果与钙成像研究的结果一致，均表明灵长类、猫和啮齿动物的大脑中有大量非尖峰神经元。Thompson等人在麻醉和自由活动大鼠的不同大脑区域发现了大量的非活动神经元，这表明非活动神经细胞的存在不能归因于麻醉的影响。
虽然目前尚不清楚非活性神经元是否代表一类特定的细胞或反映多种神经元类型的共性特征，但一些数据表明，抑制性中间神经元在抑制动作电位的诱发和内在放电活动中起着关键作用。
事实上，中间神经元连接的广泛性和为了维持整体更高放电率的原因可能导致大量的目标神经元受到强烈的抑制作用；
另一个可能的解释是大量的非活动神经元与其他神经元之间的联系很少，只对特定的输入作出反应，但是这些考虑是否能够解释整个大脑中绝大多数神经元的永久性沉默仍有待证明。
此外，有趣的是，Hahnlose等人在鸟类及鱼类中也发现了类似的情况，这意味着休眠神经元的存在可能是一种普遍的神经生物学现象。
总的来说，在麻醉动物和清醒动物的大脑中，只有10%以下的神经元会产生动作电位，其余的神经元则保持强烈抑制或持续不活动的状态，这对现在的大脑功能模型提出了重大挑战。哺乳动物神经系统中静默神经元的大量存在也对其可能的功能意义和对大脑活动的可能影响提出了相应的问题。
然而，大量的非活动神经元集合会起什么作用呢？在寻求这些重要问题的答案之前，作者简单从进化方面探讨了可能及起源及机制。
Dobzhansky说：“在进化的光芒中，生物学的一切都显现出了它的意义。”
选择性功能消失及休眠神经环路
进化进程中的“实用主义”，即任何无用的存在最终均会被自然选择淘汰的说法，反对了大脑中普遍存在冗余神经元这一发现。然而，这一说法并未考虑到神经环路的功能多样性及可塑性。实际上，在大多数情况下，大脑环路的各部分不只具有一种特定的功能，而是具有产生多种功能的潜能以备招募到支持不同过程的多个环路中，并且能够同时发挥不同的作用。
McClellan、Ayers等人的研究证明了这种观点，即同一个神经环路，可通过细微的改变进而处理不同的输入信息，执行不同的功能。这种简单而高效的策略不仅赋予了神经元及神经环路丰富的功能，而且保证了整个系统发育过程中大脑环路的基本结构的高度稳定性。
图1. 功能多样性及抑制作用对于神经环路可塑性的影响。a. 龙虾口胃神经系统的三个不同功能网络的示意图，由相同数量的神经元组成（顶部），能够产生两个不同的节律输出（底部），构成不同功能（吞咽和胃磨消化）。不同模式之间的切换由调制器输入决定。PN：幽门网，GN：胃网，EN：食管网，SN：吞咽网。b. 口胃神经元在不同节律活动之间转换并产生不同功能的药理学实例。CCAP：甲壳动物心脏活性肽。c. 神经元中可抑制突触传递的等效电路。K+和Cl-的梯度驱动膜上特定受体被激活，引起神经元内负电荷的积聚，导致膜超极化并抑制电位的激发。e，f: 小脑浦肯野细胞接收来自中间神经元的抑制性刺激。e：导致细胞膜超极化。d：使得瞬时电位发放活动被抑制。f：不同刺激强度下诱发的兴奋性和抑制性突触后电位。
神经环路的第二个特征是具有抑制性作用，这与本次讨论有着关键的联系。与兴奋性结合，抑制性在传导、整合信息中的各个水平调节着神经元及神经环路的活动（图1C-F）。重要的是，除了稳定和协调作用之外，抑制性作用还可以使神经元的活动完全停止。
从进化的角度来看，通过抑制性作用，神经元可以维持在非活动（即休眠）状态，这也可以使其处于自然选择的淘汰范围之外（即成为进化背景中的暗物质）。
从系统发育的角度来看，这一过程可以促进非功能性神经元和环路的建立。Kavanau认为，保留旧有的神经网络系统以及不断增加的抑制调节控制需求是大脑进化为多功能神经环路所必须的。
同样的一套基本机制可能也导致了这样一个事实，即大脑的体积与其功能能力间没有绝对的关系。达尔文及他的同事早已注意到，尽管男性的大脑比女性大得多，但男性在智力上并没有明显优势。支持这一观点的最新证据来自人脑的CT及fMRI数据，研究发现，许多神经组织严重缺损或大脑发育不全的个体依然具有良好的社交能力或高超的智力（图2）。
图2. 大脑广泛受损但功能维持正常的个体案例。a、c、e. 一名作为公务员、已婚男士、两个孩子的父亲的大脑受损的男子的CT及fMRI图像。他的智商为（IQ）为75，语言IQ为84，表现IQ为70。LV：侧脑室，IV：第四脑室。g. 一名7岁女孩的MRI扫描。这名女孩在3岁时因Rasmussen综合征而接受了大脑半球切除术。尽管大脑半球被切除，失去了语言中枢和及对身体左侧的运动控制，但这名儿童完全可以用土耳其语和荷兰语进行交流。LH、RH分别为大脑左半球、大脑右半球。b、d、f、h: 对应正常大脑的MRI扫描图。
值得注意的是，在一定条件下，大量的休眠神经元与神经环路可以在活跃及非活跃的水平间相互转化，从而执行不同的功能。这个过程可以形成新的神经环路组合，为进化及功能升级提供基础。在有利的选择压力条件下，新形成神经网络可以在大脑中得到巩固。最近新出现的临床及研究数据也支持了这一观点，即旧有神经环路可能被重新激活，并伴随着非标准功能特性及行为的出现。
休眠环路的重激活
大量的休眠神经元和神经网络不仅为产生新的功能提供了基础，而且同时也具有恢复为原始形态的潜力，从而引发一些非标准的病理性改变。
当出现急性去抑制作用时，旧有神经环路可以被快速激活并对生理过程及行为产生影响，其中最广为讨论的例子之一是急性脑损伤或大脑疾病患者出现的抓握反射现象。
这一现象与人类祖先树栖的习惯及婴儿的依附行为紧密相关，尽管在发育的过程中，这一反射受到了来自更高级环路输出的信号的抑制，但在额叶损伤、中脑功能丧失等情况出现时，抑制信号消失，抓握反射可以被再次激活。
此外，Buckley等人还记录了一系列更为复杂的例子，包括求偶、筑巢等任务，这意味着在整个动物王国中广泛存在着这种机制。有趣的是，研究发现在自然杂交种中，这种遗留特征更容易被激活，并由此推断出休眠环路在具有混合遗传背景的个体中更容易被重新激活。这证实了旧有行为特征及相应神经环路间的联系具有突然恢复的可能性。
在人类神经及精神疾病的背景下，旧有神经网络的重新激活伴可能随着自闭症、精神分裂症及一些神经退行性疾病的出现。尽管这些讨论还处于初级阶段，但重要的线索已经出现了。比如，Sacks、Linas等人的研究表明去抑制作用可导致对应皮质神经元兴奋性增加，出现异常活动，进而可引起下意识动作或抽搐等行为。
Fornito、Zalesky等人的研究结果表明，皮质连接中断导致的局部神经网络去抑制现象可造成皮质内同步性下降，进而导致精神分裂症等疾病的出现。基于fMRI的环路动力学研究也显示，在信息处理过程中皮质内同步性明显下降，造成信息处理不足（图3a）。
图3. 精神分裂症患者大脑中，皮质神经网络的去抑制作用可引起同步性活动减少。a.正常人与精神分裂症患者神经网络功能特征拓扑图对比，显示出精神分裂症患者的同步性活动减少、部分连接中断的现象。c. 与精神分裂症患者相比，正常对照组中广泛的稳态诱发电位（SSEP）对35-45 Hz的刺激序列（γ振荡）的反应更大。d. 与正常对照组相比，精神分裂症患者在视觉格式塔任务期间诱发的较低40 Hz振荡的例子。
与脑成像研究的结果一致，EEG数据显示去抑制现象引起的不同步主要表现为β和γ振荡的减少（图3b）。从机制上讲，精神分裂症患者皮质内的同步性下降被认为与GABA能驱动缺陷相关，这是由于67-kDa突触酶（称为GAD67）的减少而造成的。
Snyder、Sacks等人关于精神疾病患者与超常能力间关系的研究中，最有说服力的论点是主张在压力或伤害之后，休眠电路被激活，异常迹象会突然出现，然而当疾病恢复后，相应异常迹象也会迅速消失。
Snyder、Young等人对健康志愿者的特定脑区进行rTMS，通过选择性地调节其对皮质的抑制，发现在不改变正常脑功能的情况下，一些能力，如分析或艺术创作能力可以被激活。基于临床证据，Miller等人认为，高级神经环路的破坏与患神经退行性疾病的老年人突然出现的对微积分、音乐和艺术的兴趣和表现有关。
从以上的讨论中可以看出，在长期压力或疾病的作用下，处于休眠状态的神经元和神经环路可以被重新激活，并对个体的精神及行为产生相应的影响。
大脑中暗物质的过去与未来
John Hughlings Jackson在他关于中枢神经系统进化方面的推测中认为，移除高级中枢的抑制作用，低级中枢可能在出现的一系列症状中起到关键的调控作用。他的这一理论建立在神经中枢的层级原则上，他指出，每一个环路除了承担其特定的功能外，还起到抑制次级环路活动的作用。
Jackson也对休眠环路作出了两个重要预测：
第一，休眠环路存在，并且保持在抑制状态；
第二，休眠环路具有恢复并可重新影响精神和行为的可能性。
Jackson的观点对W.James提出意识的“暗能量”和“隐藏的大脑能量”的概念产生了重大影响，W.James认为，心理活动的层次及复杂程度是由代谢活动的强度所决定的。
尽管Jackson是第一次试图在实验基础上研究休眠的神经环路的人，但Wilder Penfield这位神经外科天才首先用实验证明了活跃及休眠皮质区的共存。
随着人们逐渐认识到penfield的病人的休眠皮质区域呈现出可处理特定类型神经信息的特性时，CT和MRI技术的应用也揭示出个体大脑严重受损或缩小时，社交能力及智商均与常人无异甚至高于常人水平。
这一系列研究均证实了神经组织不可思议的可塑性，也引发了有关休息和激活下的能量消耗及神经网络动力学的问题。由此，人们对现有大脑功能模型也产生了质疑，有关大脑如何获取、储存、处理信息的过程也应进行进一步的研究。
与“a ten percent brain myth”理论中的未利用的90%的神经组织不同，大脑中的暗物质是自然进化中形成的有序的、高度复合的副产品，并在抑制的作用下处于静止及不可见的状态。
深植于系统发育史中的大量神经元和神经网络曾经是发挥不同功能的环路的组成部分，虽然目前还处于沉默状态，但它们仍然适合并准备者重新进入神经网络，影响个体的精神及行为。
正如上面所讨论的，除了带来悲伤和痛苦之外，神经环路的恢复偶尔也能增强大脑的功能。对休眠神经网络的研究不应只停留在其规律及机制层面，更要对它在康复治疗方面可以发挥的作用进行深入探索。
参考资料：
Ovsepian, Saak V. The dark matter of the brain. Brain Structure and Function. 2019 doi:10.1007/s00429-019-01835-7
作者信息
编译：张弃疗（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
题图：brainleek07.deviantart.com