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簡單的問題才會難死科學家。比如用腦多了為何會勞累？

撰文 | 孫滔

審校 | 二七、clefable

激烈的運動會消耗大量碳水化合物，所以我們會感到疲勞，那么坐著不動的腦力勞動所產(chǎn)生的疲憊來自何處呢？

答案或許并不是碳水化合物的消耗。

碳水無罪

科學常常顛覆我們的想當然。比如疲勞并非我們的進化缺陷，恰恰相反，它是人體的一種自我保護機制，是一種腦衍生的調節(jié)運動行為的感知。當我們大量使用肌肉時，其中存儲的糖原大量轉化成乳酸，讓肌肉感到酸痛，而酸痛感增強會促使人停下來，進而避免肌肉過度使用和能量過度消耗帶來的傷害。

起初，科學家也認為碳水化合物大量消耗和腦疲勞有關，然而這一猜測并不總是站得住。我們經(jīng)常看到世界杯賽場上足球運動員做出一個行為：他們拿起一瓶飲料灌一大口，卻不會吞咽下去而只是漱口吐出來，隨后就活力十足再次上場了。研究表明，這種用碳水飲料漱口 5 到 10 秒，然后吐出，就可以在持續(xù)約 1 小時的高強度活動中提高運動表現(xiàn)。有推測是，碳水化合物漱口沒有提高血糖水平，但口腔中的碳水化合物受體激活了大腦的某些區(qū)域，從而 " 欺騙 " 了大腦，讓人忘記疲憊，這樣還可以避免激烈運動中大量攝入飲料帶來的胃腸道不適。當然，這種只入口而不入腹的做法不適用于馬拉松。

科學家還發(fā)現(xiàn)，含有碳水化合物的漱口水會激活紋狀體中的多巴胺能通路，即大腦中與獎勵反應相關的區(qū)域，這讓大腦會誤以為獎勵出現(xiàn)了（另一種望梅止渴）。并且，與飲入相比，只入口而不入腹的漱口對運動表現(xiàn)的影響更大。這些研究表明，即使碳水化合物不直接為人體提供能量，也能影響運動持久性和表現(xiàn)。

用腦帶來的疲勞問題則更加微妙。1915 年，意大利生理學家安吉洛 · 莫索（Angelo Mosso）就認為，大腦是獨一無二的，是唯一不因饑餓（而萎縮）的器官。他提出，" 如果大腦是物質代謝最活躍的器官，那么當身體其他部分消瘦時，如何解釋大腦重量并沒有減少這一事實呢？"（現(xiàn)在的研究已經(jīng)證實大腦也會受到饑餓的影響，當體內的能量不足時，大腦會促使人進食，而無法得到能量時，大腦執(zhí)行功能的精細程度會降低。）

美國西北大學丹尼爾 · 摩爾登（Daniel Molden）等人設計了精確的實驗室測量研究，發(fā)現(xiàn)用腦并不會影響血糖水平，也就是不會增加碳水化合物的代謝速率。

不過科學家也猜測，正常情況下，碳水化合物并不會影響持續(xù)用腦，但也不排除在某些情況下可能提高大腦功能表現(xiàn)，同樣，用碳水化合物持續(xù)漱口也可能隨著時間的推移而減弱 " 欺騙 " 大腦的效果。

但是，如果沒有物質代謝層面的原因，就無法解釋大腦疲勞的生物學意義，因為那樣的話我們完全可以無休止地進行腦力工作。

于是科學家假設，用腦會產(chǎn)生一些廢物，而這些廢物是有毒的，或者用腦會消耗一些用于認知的關鍵代謝產(chǎn)物，而這些代謝產(chǎn)物需要時間重新產(chǎn)生，才能支持后續(xù)的大腦活動。這時，谷氨酸就進入了科學家的視野。

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量化疲勞

將谷氨酸作為懷疑對象是有理由的。此前科學家已經(jīng)認識到，大腦中過多的谷氨酸會成為一種毒素，導致神經(jīng)細胞過度興奮，以至于腦細胞損傷與死亡，帕金森病、慢性疲勞綜合征以及焦慮癥、精神分裂癥等等均與此有關。

谷氨酸是大腦中最豐富的神經(jīng)遞質，也就是在神經(jīng)元之間傳遞信息信號分子，在學習和記憶中扮演了重要角色。谷氨酸由神經(jīng)細胞制造，儲存在軸突末端的囊泡中，神經(jīng)膠質細胞將 " 使用過的 " 谷氨酸轉化為谷氨酰胺，當被輸送回神經(jīng)細胞的末端區(qū)域時，谷氨酰胺又被轉化回谷氨酸。要想讓大腦正常運作，就必須讓它在合適的時間保持恰當?shù)臐舛炔判小?/p>

2022 年 8 月，法國科學家發(fā)表的一項研究把這個懷疑推進了一大步。他們發(fā)現(xiàn)，當人們在參加測試任務超過 6 小時后，大腦中谷氨酸含量就會增加。疲憊與神經(jīng)系統(tǒng)代謝物竟有如此顯著的關系，這項發(fā)表在《當代生物學》（Current Biology）的研究注定引來關注。

巴黎大腦研究所安東尼烏斯 · 維勒（Antonius Wiehler）等人把與復雜智力有關的大腦外側前額葉皮層（LPFC）作為研究重點，因為當人們精神疲憊時，該區(qū)域就會變得不那么活躍。他們利用磁共振波譜（MRS）技術測量了人體大腦中 8 種化學物質的濃度水平，其中就包括谷氨酸。

共有 40 人參與了這項持續(xù)超過 6 個小時的實驗，分為困難組和簡單組。其中 26 名參與者參與困難任務，另外 14 人參與更簡單的任務。困難組枯燥的測試足夠折磨人，他們需要緊盯電子屏幕上快速閃現(xiàn)的字母，或者需要辨別顏色、大小寫以及元音和輔音，還可能需要指出當前字母是否與前 N 次中出現(xiàn)過的字母相同。

實驗中 26 名參與者參與困難任務組，14 人參與簡單任務組。困難組需要緊盯電子屏幕上快速閃現(xiàn)的字母，或者需要辨別顏色、大小寫以及元音和輔音，還可能需要指出當前字母是否與前 N 次中出現(xiàn)過的字母相同。（圖片來源：Current Biology）

原來疲勞是可以量化的：結果發(fā)現(xiàn)，與簡單測試的參與者相比，困難組參與者大腦中谷氨酸含量較高（上升了約 8%），而其他 7 種測試的化學物質濃度沒有增加。同時研究發(fā)現(xiàn)，困難組參與者在試驗完畢后決策能力下降，比如他們在測試后選擇了當下較少數(shù)額現(xiàn)金獎勵，而放棄了一段時間后更大的獎勵。

但該研究也引發(fā)了爭議，其中一個爭議是，這項研究只展現(xiàn)了相關性，也就是說腦過度與大腦氨基酸積聚同時出現(xiàn)，但并不能證明這兩件事之間存在因果關系。

維勒也承認，論文距離證實用腦過度導致谷氨酸積聚的結論還很遠。作者還表示，他們的測量技術還不夠靈敏。例如，研究沒有鎖定大腦與疲勞有關的精確位置，且由于數(shù)據(jù)采集需要 10 分鐘左右，那么就沒辦法得到實時數(shù)據(jù)，無法知道哪些特定任務對谷氨酸積聚影響更大。另外，實驗設備無法區(qū)分谷氨酸和其轉化物谷氨酰胺。

此外，對于為什么認知控制區(qū)域會比視覺皮層等其他區(qū)域更多地積累谷氨酸，這仍然缺乏解釋。普林斯頓大學神經(jīng)科學教授喬納森 · 科恩（Jonathan Cohen）在接受《科學》雜志采訪時表示，為了處理面部識別這類艱巨的任務，大腦必須有一個更復雜的計算系統(tǒng)來分配精力，可能不只是積累或消耗代謝物這么簡單。

好消息是，研究發(fā)現(xiàn)睡眠期間大腦谷氨酸濃度會降低，這可能是睡眠期間大腦消除了潛在有毒物質。

用腦為何會勞累，這實錘答案沒那么容易到手。是還是不是（To be, or not to be），問題仍在。