圖片來源：Unsplash

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，就可以在持續約 1 小時的高強度活動中提高運動表現。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。

科學家還發現，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域，這讓大腦會誤以為獎勵出現了（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。

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？"（現在的研究已經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，發現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用腦，但也不排除在某些情況下可能提高大腦功能表現，同樣，用碳水化合物持續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物，而這些代謝產物需要時間重新產生，才能支持后續的大腦活動。這時，谷氨酸就進入了科學家的視野。

圖片來源：Unsplash

量化疲勞

將谷氨酸作為懷疑對象是有理由的。此前科學家已經認識到，大腦中過多的谷氨酸會成為一種毒素，導致神經細胞過度興奮，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遞質，也就是在神經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。谷氨酸由神經細胞制造，儲存在軸突末端的囊泡中，神經膠質細胞將 " 使用過的 " 谷氨酸轉化為谷氨酰胺，當被輸送回神經細胞的末端區域時，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的濃度才行。

2022 年 8 月，法國科學家發表的一項研究把這個懷疑推進了一大步。他們發現，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。疲憊與神經系統代謝物竟有如此顯著的關系，這項發表在《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：結果發現，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。同時研究發現，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額現金獎勵，而放棄了一段時間后更大的獎勵。

但該研究也引發了爭議，其中一個爭議是，這項研究只展現了相關性，也就是說腦過度與大腦氨基酸積聚同時出現，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，且由于數據采集需要 10 分鐘左右，那么就沒辦法得到實時數據，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域會比視覺皮層等其他區域更多地積累谷氨酸，這仍然缺乏解釋。普林斯頓大學神經科學教授喬納森 · 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，研究發現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。