西四逸先生，神经科学/机械工程/应用数学 阅读原文 思考会增加能量消耗，但增加的量多与少取决于怎么看待这个问题。 通过血液循环，葡萄糖和氧气被源源不断的运送至大脑，并主要通过扩散作用从小动脉和毛细血管网分配至各个细胞。在各个细胞内，葡萄糖和氧气以大致一比六的比例发生氧化反应，并把化学能暂时储存在能量货币 ATP 中。这些 ATP 随后被多个细胞生理过程所使用，比如，合成蛋白质，维持细胞膜上的电位，并且在大脑中它们还有个特殊的用途，那就是在神经元内和神经元之间传递信息。而当你使劲思考问题的时候，这部分传递信息的能量消耗便会增加，这是显而易见的。 图 1. 神经元收到刺激后不同细胞过程的反应 (Magistretti and Allaman, 2015) 说到研究大脑能耗与神经活动的关系，比较有名的一个是 Fox 和 Raichle 的研究（感谢前几天一位朋友在知乎提醒我这篇文章）。这个研究发表在了 1986 年的 PNAS 上，后来又在 1988 年的时候，在 Science 杂志上总结提升了一下。他们使用 PET 技术研究了接受肢体刺激（震动手指）后的局部脑区的脑血流和新陈代谢速率变化，发现受刺激区域的脑血流增加了 29%，而新陈代谢速率只增加了 5%，基本没有什么变化（从图 2 来看确实区别不大）。这个实验在当时引起了很大的震动，因为从数据看来，大脑新陈代谢速率似乎与神经刺激关联不大，并且和脑血流也不具有很强的关联（相似比例的变化）。个人认为这个 5% 的实验数据是可信的，但还是对这个实验的过程有两点质疑。第一，当时的 PET 技术的分辨率不高，会对实验结果产生影响；第二，对肢体的物理刺激和思考问题时产生的刺激是否相同还是有待商榷的。但总之，这是个非常有意义的实验。 图 2. 受到物理刺激前（左）后（右），某个大脑截面上的氧气消耗速率对比 (Fox and Raichle, 1986) 在这之后，又有很多课题组做过类似的实验，比如 Lin et al. (2010) 应用更高频率的 MRI，发现受到高频视觉刺激时，新陈代谢速率可以提高 10%-20%。事实上，有大量课题组发现相比物理刺激，受到视觉刺激时这个增幅要更大。当然，也有些组的结果截然相反，也就是新陈代谢速率变化不大，也就与 Fox 的研究结果基本一致。 因此，可见神经活动对于大脑能量消耗是有影响的，但是影响的绝对值不大。根据之前对于大脑新陈代谢速率的计算（参见下面这个链接），大脑耗能为 20W 左右，因此这个增加值最多就 4W（以 20% 增幅计算）。 人类的大脑功率是多少？ 然而，如果我们从另一个角度来看这个问题，或许会对大脑能量消耗的增加有不一样的看法。大脑是个高度复杂，并且高度脆弱的器官。它只占人体 2% 的质量，却要消耗 20% 的能量。并且，神经元无法合成糖原，储备能量，因此只能依靠血液和周围各种辅助细胞持续不断的输送养料。更值得我们注意的，血液中氧气的浓度只为葡萄糖的大概 1.5 倍，这远低于我们前文提到的 6 倍的消耗比。有研究表明，只需要几秒的缺血，脑细胞就会处于缺氧状态。 因为上述原因，大脑实际上一直工作在高负荷状态，对氧气的提取比可以达到将近 50%。简单来说，脑动脉中的每两个氧分子，等流过毛细血管进入静脉的时候，一般就只剩下一个了。因此，想在 20W 的基础上再多增加 4W，需要大幅度增加大脑的血液供给，而心脏和血管系统的工作压力由此就不止增加 20% 了。 从另一个角度来说，当人们中风的时候，大脑组织就算已经极度缺氧并且被造成了不可逆损伤，依然可以通过降低脑组织中的氧浓度，增加氧气的扩散速率以维持 75% 的新陈代谢速率，也就是说只比平时功率减少了 5W 左右。如此一比较，在大脑高负荷工作时增加的 4W 就显得很多了。 所以简单总结一下，思考时能量消耗增量的绝对值不多，但相对值不小。 最后，来回答一下题主的最后一个问题，补充哪些能量有助于思考。根据前面缺氧不缺糖的论据，我做个非常没有医学根据的回答。既然不缺糖，那么维持血糖在正常水平就好了，多吃多少有营养的食品在短期来看也无益。既然缺氧，那一定要保持居室通风，大脑疲劳的时候做一些深呼吸放松，千万不要让大脑缺氧啊！ Fox, P. T., & Raichle, M. E. (1986). Focal physiological uncoupling of cerebral blood flow and oxidative metabolism during somatosensory stimulation in human subjects. Proceedings of the National Academy of Sciences, 83(4), 1140–1144. Leithner, C., & Royl, G. (2014). The oxygen paradox of neurovascular coupling. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism, 34(1), 19–29. Lin, A. L., Fox, P. T., Hardies, J., Duong, T. Q., & Gao, J. H. (2010). Nonlinear coupling between cerebral blood flow, oxygen consumption, and ATP production in human visual cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(18), 8446–8451. Magistretti, P. J., & Allaman, I. (2015). A Cellular Perspective on Brain Energy Metabolism and Functional Imaging. Neuron, 86(4), 883–901. 阅读原文
