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大脑冷知识:好日子和坏日子:脑功能是如何变化的

昂贵的新式智能手表显示,萨莉昨晚睡了7小时23分钟,其中3小时7分钟是深度睡眠。早餐之前,她跑了5公里(3.1英里),早餐进食450卡路里,包括18克蛋白质。20分钟之前,她喝了今天的第二杯咖啡。现在她坐下来打开电脑,开始这一天的工作,感觉自己正处于认知的巅峰状态。真的是这样吗?

上一章我们讨论了一生里,在从发展到衰退的渐变中,人脑结构在宏观和微观层面上发生改变,从而导致脑功能的最佳状态呈现出不断变化的模式。所以我们已经知道,脑是一个动态发展的器官。但是它到底有多动态呢?在一场冗长的会议收尾时,我们会感觉脑像是死掉了一样;在一场狂欢夜宴后的清晨,我们会感觉自己的认知出现了障碍……这是否真的反映了脑运作的可测量性差异?在这一章中,我们将探讨正常的脑功能的可变性,以及在一年又一年、一刻又一刻的时间里,那些我们做了或没做的事情,会以什么样的方式导致脑功能出现高峰和低谷。

测量脑的变化

要了解任何一种脑功能的变化有多大,前提是测量它。正如你已经想到的,测量活人脑中的活动并非易事。首先,大脑受到外界的保护,其主要卫士是头骨,另外还有肌肉、皮肤和不同数量的头发,等等。所以我们无法直接观看或触摸它。除了罕见的特例,为了避免可能造成的破坏,我们也不能插入科学仪器来直接接触它。为此,我们开发了一些技术来代替直接观测,以非侵入性的方式测量脑功能的各个方面。

这种帮助我们建立脑结构[或其构成方式(如血流)及活动方式]图像的技术,被人们称为神经成像技术。你可能曾经见过来自电子计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)扫描的图像,这些图像有点像X光片,但已经有所优化,可以显示不同类型软组织之间的差异,而不仅限于硬的骨头。它们能对脑结构进行扫描快照,对于测量重大变化非常有用。这些重大变化包括由老化引起的萎缩,或由中风、肿瘤及头部损伤等导致的脑损伤。

如果随着时间变化不断扫描脑的快照,然后将这些图像中的数据交给一些非常聪明的统计学者,就有可能建立起一个完整的图像,用以反映某个时期内脑的变化。这是所谓的功能磁共振成像(fMRI)的基础。通过这种技术,人们能在短短几分钟内拍下数百张MRI图像,用以测量脑中血流的变化。更具体地说,fMRI测量的是血液(实际上测的是血液中血红蛋白携带的氧)是如何被移动到脑的不同区域的。我们可以做出这样的假设,哪个脑区域需要更多氧气,就说明它此刻的工作强度更大。因此,通过比较完成两项不同任务(如一道简单的数学题和一道比较难的题)时的fMRI图像,就可以测量出脑中的哪些区域工作得更卖力,或者说,可以测出为了解决更难的问题,需要增加哪些脑区的投入。

另外一些测量脑功能的技术不需要人进入扫描机器,所以当你没机会使用这些巨大且昂贵的工具时,这些方法会更有用。一种常见的方法是脑电图(EEG)。虽然硅谷的新兴企业正在尝试建造漂亮、酷炫的EEG设备,但标准的科研级脑电图仪器的主体通常是个看起来像头骨一样的帽子,这顶帽子上面有一根伸出来的电线,并内置几十个电极,直接与头皮相接触。有时,为了让头皮和电极之间连接得更好,我们还会挤进去一些黏性物质。脑电图的原理是,当脑电波通过头部时,对电波活动的位置和速度进行测量。这些电波反映了大脑不同区域神经元的放电。由于头骨和皮肉阻隔在脑和机器之间,因此,与MRI不同,脑电图不是一种非常精确的测量脑活动的方法。但是,由于电波活动比血液运动更快,在测量脑活动的时间方面,EEG数据比MRI的精确度更高。

第三种测量脑活动的方法,比fMRI或EEG更间接,但通常也更便宜更容易,那就是心理学实验。在这些实验中,志愿者被要求完成一项任务或谜题,这些任务常常因几十年的使用而得到了细化和标准化。漫长的使用历史意味着我们对每项任务背后的神经科学背景都有很深的了解,如成功完成它需要哪些脑区域或网络,任务的执行如何受年龄、性别和教育水平等因素的影响,患有某种特定疾病的患者是否在任务中表现出了特定的损伤模式,以及特定药物是否可能改善或恶化任务表现。

常用的任务之一是河内塔(Tower of Hanoi)或伦敦塔(Tower of London)。它最初的形式看起来像是简单的儿童游戏。首先,在桌上垂直放3根杆和3个直径不同的圆盘。将圆盘从小到大堆叠在其中一根杆上,最小的圆盘位于顶部,最大的圆盘位于底部。游戏的目的是将所有圆盘移动到另一根杆上,必须同时遵守3条规则:一次只能移动一个圆盘;较小的圆盘永远不能放在较大的圆盘下面;每次移动的只能是堆在最上面的圆盘。如果只有3个圆盘,这个任务还比较容易,通过7次以上移动就能解决。但是,如果游戏包括了七八个圆盘,完成起来就要困难得多。

大脑冷知识:好日子和坏日子:脑功能是如何变化的

河内塔原本是一个数学问题,由法国数学家爱都华·卢卡斯(Edouard Lucas)于1883年提出。它可以通过数学策略来系统地解决,移动次数为2n-1次(n是圆盘的数目)。在20世纪80年代,伦敦的研究者蒂姆·夏利斯(Tim Shallice)将河内塔改编成伦敦塔:测试原理相同,差别在于每次都给志愿者不同的目标,以便可以反复使用,对认知的某些方面进行测试。夏利斯提出,额叶受脑损伤影响的人特别难以完成这项任务。随后的研究要求健康的志愿者在大脑扫描仪中完成这项任务,证实了这一任务确实会激活部分前额皮层。对于大多数非数学家的普通人来说,要完成更难的任务,必须先制订一个计划或策略,在实施计划的同时,还得通过工作记忆来随时追踪手头的事情。由于这些都是前额皮层的关键功能,所以当人们的前额叶皮层功能处于最佳状态时,毫无疑问也能在这一任务中表现得最好。反过来讲,儿童、老人以及患有精神分裂症和注意力缺陷多动障碍(ADHD,又称多动症,会影响这一脑区)的患者,完成这一任务的难度较大。

你会发现,在这种形式下,人们并不直接测量脑活动,而是在前人研究基础上,根据志愿者的回答或反应进行推断。尽管与摆弄那些昂贵的仪器相比,做这种实验没那么有趣,但是针对脑功能的瞬间变化和长期转变,设计精巧的心理学实验都可以得出令人惊喜的精确答案。

还有最后一个问题。上述技术能够很好地探索普通人脑中的内容,或者至少是同意参加心理学研究的普通人脑中的内容。然而,如果你想了解人脑的多变性,就需要研究更多的人。最大型的研究往往是流行病学研究(“流行病学”的词根为“流行”,意思是那些在人群中很常见的东西)。在理想情况下,这些研究囊括了全部人口,因此得出的结论也不仅关于普通人的脑,还包括了国民中的变异量。虽然我们没有时间和金钱用扫描仪器把所有人都扫一遍,但有时候可以利用其他涵盖了整个人群的数据,例如医疗、学校记录或事故统计数据,此外在一部分国家里,研究人员还可以使用征募群众服兵役时收集的数据。

因此,当我们想了解脑的某个方面时,往往会在以下两类技术之间进行选择,其中一类可以提供非常详细的、针对极少数人的数据,另一类则可以提供涵盖大量人群的浅层数据。如果我们足够幸运,这些回答问题的不同方式提供的证据最终会指向相同的结论。

讲够了技术性问题,此时此刻,当你读到这句话时,对自己的脑了解得怎么样?

神经与季节

除了老化的单向过程外,其他一些长期趋势也很可能正在影响你的脑。请放飞思绪,相信此刻自己正在晚春的户外,阳光灿烂,温度恰好,刚刚好温暖到可以脱掉毛衣。只要你不是生活在赤道附近,在接下来的几个月里,白天会越来越长,平均温度逐步升高,而你所接触到的紫外线也会比冬天多得多。面对这样美好的天气,也许你会更频繁地骑自行车或步行出门,而不是开车。你可以优哉游哉地在公园、花园里游玩,将家里窗户全都推开,不再需要与朋友、家人和同事反复共享密闭在室内循环的空气、感冒和其他病毒。可以说,我们很多人在夏天时都感觉更健康、更快乐。但这与脑直接相关吗?

“冬季忧郁”,或者说季节性情感障碍(SAD),作为一种临床疾病,在居住在热带以外的人群中很常见。我们大多数人也可能会经历其中一部分症状。例如,在美国马里兰州的一项研究中,92%的人报告说他们发现自己的情绪和行为存在季节性变化;27%的人感觉这些变化存在问题;4%至10%的人达到了SAD的诊断标准。

SAD只是与季节有关的几种脑疾病之一。世界各地对双相情感障碍患者(有时也可以称为躁狂抑郁症)的研究显示,躁狂发作的高峰期在春季和夏季,而抑郁则高发于初冬。其中的一个原因可能是睡眠模式的季节性变化,对一部分人来说,这种变化似乎是即将到来的躁狂或抑郁发作的早期预警信号,而对另一部分人来说,则确实能引发情绪转变。

流行病学研究发现,季节对其他脑相关疾病风险也有影响。众所周知,出生在冬春季节的婴儿的精神分裂症患病风险比夏秋季节的更高。截至目前,我们还不清楚这究竟是由什么原因引起的,但很可能与神经发育关键时期(妊娠晚期)的季节性风险有关。其中一个季节性风险是孕妇的流行性感冒或其他传染性疾病。第二个是维生素D缺乏症,它也可能与其他脑疾病(如自闭症和多发性硬化症)有关。一部分维生素D可以从饮食中获得,但大部分需要通过晒太阳而产生。由于我们在室内的时间越来越长,喜欢用防晒霜,越来越担心皮肤癌及阳光照射导致皱纹产生,许多国家人民的维生素D水平都正在下降。而那些全年都缺乏强烈日晒的国家到了冬天,人们会严重缺乏维生素D。事实上,即使在一些全年阳光充足的国家,维生素D缺乏也是很常见的问题。阿联酋的一家医院通过抽取血液样本发现,阿联酋国民中86%的人维生素D水平偏低,而在非阿联酋人民的血液样本中,却只发现了79%的人偏低;此外,还有28%的阿联酋国民和18%的游客极度缺乏维生素D。文化服饰和习俗可能导致阿联酋人民晒太阳的机会减少,但即使在不太存在这一问题的国家,维生素D水平偏低的现象也很普遍。例如,在澳大利亚,根据估算,大约1/3的成年人维生素D水平偏低。

关于季节性因素对脑发育和长期健康的影响,大规模的研究揭示了一部分有趣的结果。然而在如今,即使是生活在远离赤道地区的人,行为上的季节性差异也相对微妙。如果我们把普通的工作日分为三个部分——工作、休闲和睡眠,会发现无论是夏天还是冬天,打发时间的区别都相对较小。在温暖的7月和冰冷的1月,我们度过空闲夜晚的方式可能稍微有那么点不同。至少对于那些从事室内工作的人来说,工作时间不受季节的影响,睡眠模式也不受影响。现代技术涵盖了集中供暖、防水服装和可靠的运输方式等方面,这意味着,我们的生活方式受到季节变化的影响可能比祖先小得多。你可能会注意到,拥有全球供应链的超市造成了这样的影响,打个比方,只要你愿意,你可以在一年中的任何时候品尝草莓,欣赏在当地阳光下成熟的草莓的滋味。

这种稳定的无季节性的营养来源与我们的祖先大不相同,而且也有别于所有野生生物。对大多数物种来说,食物供应的季节性变化决定了行为的巨大变化——如鲸、羚羊或燕子每年都进行迁徙。人们认为,几乎对于所有的物种来说,食物供应是决定生殖周期时间的关键因素,包括了所有与之相关的筑巢、长角和颜色变化等行为。相比之下,人类行为和情绪的季节变化看起来很小。因此,如果我们想要了解在季节流转时,脑会发生什么变化,其中一个很不错的办法就是去观察那些脑比我们更小的物种,它们的季节性行为变化往往远大于我们。

跟随鸟儿

由于鸣叫、迁徙、羽毛变化和筑巢等表现,鸟儿成了季节变迁的缩影。自古以来,我们就将第一只燕子的出现视为春天的开端。不同品种的鸟的季节性行为各有不同,但其他方面十分相似,我们可以对这些行为和脑之间的关系做出推断(或者至少做出很到位的猜测)。

在鸟类和人类的脑中,人们特别关注的一个区域是海马。在这两个物种身上,海马对记忆至关重要,特别是对于空间记忆。海马受损的鸟类表现出了许多问题,比如难以找到先前储存食物的地方,难以找到正确方向,难以识别地标等。对空间导航需求大的鸟类海马也大,例如信鸽的海马就大于其他鸽类,而迁徙亚种的海马大于不迁徙的鸟类。不过,这些差异反映的是进化适应(即整个物种的基因程序起的作用),抑或仅仅是某些个体大量使用海马的练习结果?

在长达一生的时间里,脑结构会根据我们如何使用它而不断进行调整适应。在一个著名的例子中,研究人员通过脑部扫描来测量伦敦出租车司机的海马大小。作为出租车司机,他们必须学习的“知识”就是掌握整个伦敦的心理地图,以方便自己在两个点之间找到最佳路线。研究者发现,随着司机经历艰苦的训练过程,学习更多的伦敦地标,海马也变大了。事实上,哪怕出租车司机不再从事这份工作,过去的职业生涯越长,海马的变化也就越大,这表明一旦掌握了布局和“知识”之后,即便不再持续学习,多年来与伦敦街道打的交道仍然在他们的大脑上留下了印记。在GPS时代,任何一部智能手机都能让用户成为Uber司机,我们还会看到这些职业驱动的海马变化吗?由于脑功能在很大程度是以“用进废退”原则为基础的,我们可能无法看到这种变化了。

在鸟类世界中,北美一种山雀的海马已经得到了专门的研究。山雀不会迁徙,在秋冬季节,由于食物资源越来越稀缺,因此它们不管在哪找到食物,都有强烈的储存倾向。相反,在食物充沛的春夏,它们似乎不爱储存食物。通过对山雀海马的仔细研究,人们发现其大小和性质都显示出了季节性的变化模式,海马和单个神经元的尺寸会持续增长,在10月左右达到高峰——这正是食物储存季节的开始。

如果人脑也和鸟一样随着季节变迁而变化,那么,这些变化是行为季节性变化的结果还是原因?举个例子,假设你在夏天起得更早,运动得更多,我们很难知道脑功能出现变化是由于这些行为的改变,还是直接源于更长的白天和更高的温度。在日常生活中,很难将这些相互关联的事物区分开来,因为我们无法控制外部的季节性线索。但最近一项颇具趣味性的研究成功地做到了这一点。比利时列日大学的研究人员要求28名健康志愿者在完全没有季节性线索的环境中生活四天半,不管志愿者会在哪个季节参与进来,都确保环境和志愿者行为的各个方面全部恒定不变。在一整年的每个季节中,他们都对志愿者进行了许多生理和认知方面的测试。这个实验最聪明的部分在于,毫无季节性线索的环境类似一种清洗期,因此足以说明,在夏季和冬季的测试中所看到的任何差异,都不是环境或行为的任何直接差异(如光照时间或测试时的温度)导致的,因为这些对每个人都始终保持恒定。反过来说,在不同季节参与测试的志愿者之间出现的任何差异,都只能归因于随着季节而逐渐转变的生理和认知的作用。从本质上说,研究者测出的认知和心理差异,可完全归因于季节本身,而不是季节造成的行为变化。

研究人员假设,人们的认知任务在夏至前后会表现得较好,到了冬至前后则较为糟糕。事实上,他们发现,认知得分在整个季节变化不大,但fMRI扫描显示,执行认知任务的脑网络却有相当大的季节性变化。例如,执行需要持续注意的任务时,在仲夏时节激活的脑区较多,而在隆冬时节则较少。这说明了两种可能性,要么脑本来就有不同的可备用资源,要么脑在不同季节需要使用不同资源来完成相同的任务。

持续注意需要的认知水平相对较低。另一个更具智力挑战性的认知任务则表现出与之不同的季节性模式,脑激活的差异在春秋分前后达到高峰。有趣的是,这与先前的一些研究相吻合,说明与高水平的认知功能相比,低水平的认知功能受到的季节性影响更大。

更大型的研究探索了在北极圈内生活的人群的认知功能,北极圈内的日照时间在一年内变化极大,在深冬会出现长达24小时的极夜,在盛夏则会出现长达24小时的极昼。一般来说,生活在这些纬度上的人,认知功能会表现出相对较少的季节性变化。如上所述,这可能是因为脑功能做出了改变,用以补偿季节变动的影响,因此,生活在此类极端环境中的人们,不论身处哪个季节,都可以很好地适应认知功能。另一种解释是,日光照射时间过短的人(特别是不适应这种环境的人)更可能选择离开这些地区。

因此,我们可以想象一种脑功能的年度循环,它可能是由日光、气候以及根据环境而变化的行为直接驱动的。那么,其他生物性或社会性的周期又如何呢?

生物周期与“一孕傻三年”

有人认为,月经周期会影响多个管理认知和情绪的脑区。一些证据表明,经期中的女性(性激素雌二醇的水平最高)在工作记忆任务上表现得更好。另外,与情绪关系更紧密的功能(如情绪的识别和情绪记忆的嵌入),会在月经期的后半段(黄体酮水平开始升高)达到峰值。

在怀孕期间,性激素的变化导致身体结构和功能都出现了巨大的变化。许多女性杂志,实际上也包括了许多妇女本身,都提到过怀孕期间的“孕傻”现象,即孕期认知功能的暂时性恶化,尤其表现在短时记忆上。有一小部分研究通过从孕产班招募少数孕妇,再将这些孕妇的认知分数与她们未怀孕的朋友进行对比,得出了相同结论。很多貌似挺有道理的原因说明,怀孕可能会影响脑功能:怀孕导致黄体酮和雌二醇在身体和脑中大幅增加,至少对于初次怀孕的准妈妈来说,这是一个巨大的生命变化。因此,发现怀孕会对脑有所影响,我们可能不会感到惊讶。问题在于,你认为怀孕会使认知功能变差,还是变好?

啮齿类动物的怀孕伴随着记忆力和认知能力的提高,而不是恶化。怀孕的老鼠在走迷宫和识别物体上的表现优于未怀孕的老鼠,而且在紧张的情况下它们也更能保持平静。由于人类和老鼠的大多数母体行为都很相似,并且由大脑的相同部分控制,一群澳大利亚研究者由此产生怀疑。他们想,为什么怀孕会对人类和老鼠的认知产生相反的影响?他们认为,回答这个问题的最佳方法是招募一组能够代表普通人群的年轻妇女,通过反复测试来追踪她们的认知功能,不管她们在接下来的几年里是否生育了孩子。在这项研究的前8年,于20岁到24岁开始加入研究的1000多名女性中,有将近200个人有了孩子。参加研究时,所有的女性都做了4种认知测试,然后分别在4年后和8年后重复参与这些认知测试。共有76名女性正好在孕期接受了测试。

与以前的研究不同,本次研究做过多重评估,拥有庞大而具有代表性的妇女样本,能够更仔细地观察怀孕和生育对认知功能的影响。研究人员没有发现生育影响认知功能的证据:在这8年中,有孩子和没有孩子的妇女之间的任何测试都没有差异。在怀孕期间进行认知测试的女性,与未怀孕女性的得分也没有显著差异。这一研究与从前的研究结果不同,可能的解释是由于一些孕妇报告的问题并非因为怀孕本身,而是发生在怀孕期间的其他常见问题,包括睡眠剥夺、焦虑,等等。这些问题可能会影响记忆力,而那些最经常被招募到以前研究中的孕妇,遭遇这些困境的可能性比那些没有怀孕的朋友高。

另一种可能性是,研究人员测量的认知功能只囊括了几个方面,错过了怀孕期间更容易改变的其他方面。记忆可能是怀孕老鼠最具进化意义的认知功能,但对怀孕的人来说,却可能不是最重要的技能。当孕妇全身心地准备照顾一个无助的新生儿时,比起对他人需求和情绪的高度敏感性,记忆可能没有那么重要。

理解他人的面部表情、阅读他人的情绪、推断他人的情感,这些能力本身就是认知功能的重要方面,通常被归类为“社会认知”(social cognition)。现在已经有相当多的证据表明,社会认知及其依赖的脑区,确实会被怀孕改变。你可以认为,在为母亲这一新角色做准备时,人们进行了一种认知重组:将更多的认知资源用于照料技能,付出的代价则是减弱认知功能的其他方面,因为它们对孩子的健康不那么重要。

2016年12月,巴塞罗那的研究者首次报告了证据,在脑中发现了这种认知重组现象。他们对初产母亲孕前、孕后分别做了脑部扫描并进行对比,发现在怀孕之后,与社会认知相关的区域网络中出现了显著的灰质减少。然后,研究人员又向前走了一步,追踪了孩子出生两年后的女性。他们曾记录过的脑变化仍然存在,观察到的变化量与母亲依恋测试的得分有关。也就是说,母亲依恋程度越高,怀孕导致的脑变化也就越大,这说明存在着这样一种机制,为了应对养育孩子的挑战,脑会做出自我调整。这些变化非常明确,以至于我们可以通过一个女性的脑部扫描图像,用计算机算法准确地判断出她是否已经怀孕。

可见,大的生理周期对我们的脑有很大影响。对一些人来说,工作会导致生理功能的周期性循环,这些生理功能又可能对心理健康和脑功能的其他方面产生影响。想一想压力水平的月度变化模式吧,比如说,雄心勃勃的推销员,必须在月末之前完成销售目标;航空公司机组人员必须应对时差持续引发的昼夜节律紊乱;需要轮转上夜班的工人同样如此。事实上,即使是那些朝九晚五在办公室工作的人,在工作日和非工作日的行为模式也可能有很大的不同。在非工作时间里,我们最主要和最明显的行为就是睡眠,我们一生中大约会花费25万个小时用来睡觉。事实证明睡眠对脑功能真的非常非常重要。

睡眠的魔力

睡眠对脑大有用处。例如,睡眠能将新学到的事物固定在我们的记忆中。用科学术语来讲,睡眠有助于巩固记忆。许多实验研究表明,在学习新的事物,体验新的事件或练习新的技能之后,睡眠有助于巩固记忆。有帮助的不仅是持续整夜的睡眠,也包括了较短的睡眠模式:在一些研究中,仅仅几分钟的午睡就显示出对记忆保持的益处。而在许多年之后,人们仍能检测到午睡的效果,它有助于提高人们成功回忆往事的可能性。

你可能已经知道,以一整晚上的睡眠来讲,大约每90分钟是一个周期,每个周期分为不同的睡眠阶段。不同阶段的长度不仅会随着年龄的增长而变化,在单个夜晚中也有所变化。脑电图研究表明,在一场良好睡眠的开端,我们的慢波睡眠(SWS)时间往往较长,这通常也被称为“深度睡眠”。而在后半夜里,我们在快速眼动睡眠(REM)阶段花的时间更长。

因此,即使是睡眠模式上的细微变化——比如说周一早上比周日起得早——也会导致各个睡眠阶段的长度变化。这是很重要的,因为在不同睡眠阶段,脑中有关记忆的过程有些细微的区别。特别明显的是,慢波睡眠似乎有助于巩固陈述性记忆,也就是那些能够有意识回忆的部分。另一方面,快速眼动睡眠则似乎对情绪性记忆和程序性学习更重要。

随着年龄增长,我们睡觉的时间越来越短,越来越碎片化,导致一部分人推测,这可能解释了健康老化和神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)中都存在的认知功能的部分衰退。在生命的另一端,青少年的睡眠模式由于未必符合学校与家庭的时间表而颇受非议。青少年的生理节奏与社会对他们的要求不匹配,如果这导致了睡眠不足,则确实是个值得注意的问题。对一小部分青少年的实验研究发现,在需要保持高度警觉的任务里,睡眠不足往往会使他们表现不佳。相反,睡眠时间加长或质量改善,往往能促进工作记忆提升。因此,睡眠不足的青少年,在学校学习时显然无法处于最佳的认知状态。事实上,睡眠不足在所有年龄段都会造成认知障碍:在一项大胆的研究中,人们剥夺了幼儿习惯的午睡时间,然后要求他们来解决一个无法解决的难题。这些被剥夺了午睡的两三岁孩子表现得比实际年龄更幼稚,他们处理任务的有效性变低,即使发现了难题可能根本无法解决的证据,也更愿意坚持下去。

睡眠如此重要,以至于我们可能误认为很多事(例如生病、饥饿或时差)会影响认知能力——其实,它们只是导致了睡眠紊乱,从而间接地影响了认知能力。有趣的是,当整个人群都出现睡眠障碍时(在缺乏阳光的国家每年都会出现两次),我们可以从发生致命事故的数量中看出警觉性和决策能力的微小差异。特别是在启用夏令时之后的早晨,很多人减少了一个小时的睡眠时间,因此,致命事故的数量就增加了。而在夏令时结束之后,由于人们可以多睡一个小时,早上出现事故的状况就变少了。由此,我们或许应该在春夏来临时特别小心,照顾好自己,留意自己的行动。

优化生活的每一天

每日变化的其他因素带来的影响相对较小,但也可能随着时间的推移而累积起来,变得更为重要。例如,我们知道,脑的运转需要足够的营养,长期的营养不足会导致各种严重的脑问题。维生素B12有助于保持良好的髓鞘(髓鞘就是覆盖在神经元表面的脂肪鞘,以便神经元有效地发送远程信号),维生素D和B9(叶酸)都与认知功能有关,并且可能对各种形式的神经和精神疾病有重要影响。较短期的营养不足,例如一段低血糖期,也会对脑功能产生很大的影响,而在极端低血糖(通常见于糖尿病患者或耐力运动狂热爱好者)情况下,它甚至可以完全摧毁复杂的认知功能。但在不那么极端的情况下,很难考察在考试前吃一顿好早餐能有什么影响。许多相关研究都是由早餐-麦片公司进行的,正如你所料,对这个问题的调查与它们自身间存在很大的利益因素。因此,许多研究并非完全不偏不倚。但总的来说,为脑提供缓释能量的早餐对一天来说确实是很好的开始,不管是对孩子的学业质量,还是对成年人的正式测试。

萨莉喜欢在早餐前跑步,这种方式怎么样?心血管健康与脑健康之间有着非常紧密的联系,很明显,经常锻炼的人患脑疾病(包括中风、痴呆和抑郁症等)的风险较低。然而,你很难用未来几十年里疾病发展的微小区别,来激励自己穿上跑鞋。所以,也许更好的办法是对即时性的改善有更深入的了解。换句话说,如果你今天要做一个大型演讲,早上应该多在床上躺30分钟,还是去跑步?在睡了一夜好觉(在一个重要日子的前夜并不一定能做到)的前提下,答案很可能是——去跑步吧。现在有相当多的证据表明,体育锻炼可以促使认知功能的短期改善,也有助于脑的长期健康。我们将在第8章里对后者进行更深入的讨论。但现在,你只能接受这个结论,真的没有借口逃避运动……

每时每刻的变化

脑在每时每刻的波动量有多大,并不是一个备受关注的话题。研究人员通常认为,对认知能力、局部血流量或其他任何脑标记物的测量,可能会受到实验时间的影响(包括在一天的几点钟、一周中的哪一天、一年中的什么季节)。这些事物连同被试昨晚吃的东西,早上喝不喝咖啡、是否抽烟等因素,通常都被视为随机误差的来源。这些因素可以相互抵消,在整个实验中整体保持稳定,因此,不会对实验结果造成太大影响。

即使是如此小的影响,也会产生实际的后果。近年来最令人惊讶的研究之一,是分析一天中的时刻对一些经验丰富的以色列专家所做决策的影响。和我们其他人一样,这些被试的决策能力似乎同样会受到疲劳、咖啡和午休的影响。然而,与我们大多数人不同的是,他们的决策对他人的人生产生了直接影响,因为这些专家是在假释委员会工作的法官。时间对决策的影响之大令人瞠目结舌:每天第一个申请假释的犯人被释放的可能性大约高达65%;但对于茶休之前来的最后一个犯人而言,被释放的可能性接近于零。

针对安全重点行业(如操作大型车辆和机器)工作者的工作休息和时间,法律或雇主都做了强制性规定。而对于我们一般人来说,即便认知能力在次优状态下运行,后果看起来也不是那么危险。你可以想象,以色列囚犯被拒绝假释时,绝不会有这样轻松的感觉。

对于认知能力每时每刻的变化,另一个重要驱动力更难以衡量,却极为重要——你承受的压力有多大,是否会随着时间推移而加剧。虽然压力不是一种具体的医疗诊断,但我们都知道它意味着什么,以及它是什么样的感觉。除非你是在极为宁静的平行宇宙中读到本书,否则,你应该体验过突发的“战斗或逃跑”反应的生理效果:由交感神经系统控制的肾上腺素和其他激素的级联反应。它的目标是释放能量,为强体力活动做好生理准备;这些变化带来的负面作用是恶心反胃和口干舌燥。如果你需要逃离一只老虎,这种生理上的觉醒是非常有用的。然而,当你前去面试、做一个重要的商业报告或者大型演讲时,就未必想要这样的变化了。在这种状况下,你真正想要的是清晰思考、从容说话,以及冷静应对任何困难的能力。

那么,“战斗或逃跑”反应引起的神经化学的急性变化,对心理状态和认知功能有什么影响?坊间经验告诉我们,它可能有两种影响。有时候,额外的压力会让你的思维更加清晰,就像一个歌手在海量观众面前表演时那样。也有一些时候,压力过大,我们就只能沉默了。生理唤醒让性能提高到某个程度,然后就会使其逐渐恶化,这种观点被称为耶克斯-多德森定律(Yerkes-Dodson Law)。这一定律最初源自实验研究,研究者探索了不同强度的电击对小鼠学习的影响,尽管许多数据质疑了这一定律,但它仍是大多数心理学入门教科书中流行的理论。

老鼠遭受的电击与富足的现代人常常经历的那些急性和慢性压力源之间有着极大的区别。因此,试图了解生理唤醒和行为表现之间的关系,在某种程度上讲已经是一种进步。最近的一项研究招募了91个被试,随机抽选他们在高压力或低压力下准备和发表演讲的情况。高压力组的被试被告知要为自己辩护,针对的是(虚构的)商店行窃的指控;而低压力组的人则需要录制简短的视频,总结他们刚刚阅读的一篇旅游文章。研究者对演讲中的每一句话都进行了仔细的编码,并测量了被试的心率和皮质醇激素水平(所谓皮质醇就是在压力下释放出来的激素,可作为测量压力的指标)。跟你想象中一样,当人们辩护自己没有偷窃时,皮质醇水平和心率都比较高。然而,演讲的质量似乎并没有受到这种压力源的影响。平均来看,这两组使用词汇的数量相当,而低压力组中的人用了更多的“不流利”词,如“嗯”和“呃”等。有趣的是,在压力较高的情况下,人们更倾向于在演讲中停顿。研究人员认为,处理压力会减少演讲时所拥有的认知资源数量,导致他们形成下一个想法和措辞的速度变慢。

我们希望你能全神贯注地阅读这本书,如果你做到了,就基本上不会意识到周围发生了什么——过路人的对话,孩子们在外面玩耍,甚或周遭环境中的噪音、光线和温度的微小变化。如果你要同时、均等地注意所有这一切,就很难集中精力在任何事情上,也几乎无法阅读、理解或记住这段话。

大量的感官信息时时刻刻展现在我们面前,因此,人类非常擅长将注意力集中在其中的一小部分。几乎有一整个书架的心理学教科书,专门讨论如何精确过滤无关的信息,以及在什么样的条件下我们最擅长或完全无法过滤信息。我们的注意力是否像一个可调节的聚光灯——能在较浅的层次上摄取大量广泛的信息,或在很窄的范围内摄取一系列深入的信息?当我们执行多重任务(multi-tasking)时,真的只是在两个不同的需求之间迅速切换注意力吗?我们是否可以并行处理不同类型的信息,又是什么限制了我们这样做的能力?除了对心理学和神经科学教师很重要之外,这些问题在其他方面也很重要,因为它们在功能层面上定义了神经的限度。一个非常有趣的限制是关于时间的,它在毫秒水平上反映了脑功能:面对任何一个刺激,注意力能集中多长时间?

想象一下,你正在玩一个电脑游戏,一群贪婪的外星人在屏幕上飞快地向你飞来。你的工作是射杀坏的外星人,保留好的外星人。有个坏蛋来了!砰!打死了!但你完全没有发现,第二个坏蛋紧随其后。他吃了你。到底是什么杀死了你?认知心理学经常研究这种现象,将其称为注意瞬脱(attentional blink)。注意瞬脱非常有趣,因为它说明了脑在多个独立的信息包之间切换注意力的速度。一般来说,我们很擅长处理传入的视觉刺激,切换速度非常快,但如果其中一个是我们关注的目标,就会出现一种奇怪的失察状态。在我们的电脑游戏中,如果第二个外星人紧随第一个出现,比如说在1/5秒以内,你很可能会发现它。然而,随后的约1/4秒内,进来的目标不会引起你有意识的注意:你会看到,但不会注意到这第二个该感兴趣的目标。有些人认为,这种短暂的注意力缺失反映了脑在这段时间内处理信息能力的极限;另一些人认为,这是一种防止外来信息进入更高处理状态(如工作记忆及计划目标)的机制。

此时此刻,你使用了多少脑子?

在这一章里,我们注意到了,脑在岁月的流逝中发生了相当大的变化:在整个一生中,我们的脑功能不断发展,达到高峰,然后开始下降。从迁徙的鸟类、孕妇和假释委员会法官的研究中,我们学到了脑中的细微变化有什么用,以及如何发挥作用,这些变化能够改变较为短期的框架。脑非常善于提供你每时每刻需要的功能。随着时间的推移,你度过光阴的方式会慢慢积累起来,最终导致脑中产生更持久更巨大的变化,正如我们在伦敦出租车司机身上看到的那样。你现在需要多少脑子,当然取决于你此刻想做什么——与此同时,也取决于你昨天、上周、上个月和短短几毫秒之前做过的所有事情。

所以我们可以说,健康的脑功能也会出现很大的变化。本书的第3部分将带领大家超越正常的变化,思考我们的脑会如何应对异常情况。

西蒙·凯尔博士的观点

西蒙·凯尔博士,英国牛津大学纳菲尔德临床神经科学部睡眠与昼夜神经科学研究所高级研究员。

西蒙是牛津一家令人振奋的新型多学科研究机构中的睡眠研究者,主要研究方向是了解睡眠、昼夜节律和健康之间的关系。他对引起睡眠障碍的原因以及如何进行睡眠管理特别感兴趣,同时也研究睡眠障碍与心理健康其他方面的相互作用。西蒙是牛津睡眠医学在线课程的主讲人,这是一门创新的研究生课程,培养的是未来的睡眠专家。

令人哭笑不得的是,就在拜访睡眠专家西蒙之前,简妮正好经历了一夜非常糟糕的睡眠。所以她非常想知道,为什么我们如此渴望睡眠?昨晚睡眠不足,会对今天的脑产生什么影响?

作者:西蒙,非常感谢你接受这次访谈。那么,你能大致讲一讲我们为什么需要睡眠吗?

西蒙:嗯,在生物学研究中,为了探索某个事物具备什么功能,我们往往会先去扰乱它。我们所知的睡眠对脑的作用,大多通过以下两种睡眠剥夺研究方式得来。第一种方式是采用严格的控制实验法,找一些睡眠正常的被试,限制他们睡眠时长不能超过某个限度,或是完全剥夺其睡眠。这样做了之后,我们发现,睡眠剥夺确实会降低认知能力,包括警觉、持续注意力和工作记忆等。每晚的睡眠时间若被限制在5小时以内,连续几晚之后,就会对认知产生累积的影响,导致越往后损害增长得越快。有趣的是,一些研究表明,几个周末的补眠——就像我们平时周末所做的那样——并不能完全恢复这种性能的减退。睡眠在巩固记忆方面能起到关键作用。研究清楚地表明,当实验干扰睡眠时,这种依赖于睡眠的记忆能力会受到损害,睡眠不足的第二天,被试学习信息的能力会显著降低。

但基于研究伦理,我们一次只能要求实验对象剥夺几天的睡眠。所以,另一种方法是研究那些本来就存在长期睡眠问题的人。我们将失眠症定义为难以入睡或难以维持睡眠状态,在英国生物样本库(UK Biobank)等处的大型研究中,我们发现大约1/3的人报告自己上个月存在频繁失眠症状。10%的人报告这些问题持续了3个月以上,影响了他们的日间功能。在一系列身心健康问题(包括抑郁、焦虑、药物滥用、心脏病、中风、阿尔茨海默病)上,这些人的患病风险高于一般人。我们还不确定睡眠问题是否会导致其他疾病,也不确定它是不是其他疾病的早期症状。但我们从神经影像学研究得知,哪怕是没有其他疾病症状的失眠者,脑也确实会发生变化(如大脑皮层萎缩),这说明慢性睡眠障碍可能会对脑产生负面影响。

有趣的是,有些人在睡眠剥夺方面似乎很具韧性。因此,虽然我们能发现平均水平上的认知功能恶化,却仍有一小部分人的认知功能不会受到几天睡眠剥夺的影响,同时,还有一部分人的认知功能则特别容易受到睡眠剥夺的影响。这些有趣的个体差异确实是存在的,但我们仍未确知其原因。

作者:如果有人觉得自己睡眠不足,应该很担心吗?

西蒙:首先要说的是,大多数人的睡眠可能已经足够了。尽管媒体讨论了很多问题带来的负面影响,例如科学技术和现代忙碌生活,但通过元分析可以看出,在过去的50年里,人们的平均睡眠量没有变化。许多人在工作日减少睡眠量,是为了将更多的时间优先分配给工作或社交,周末再进行弥补。报告失眠症的人数确实越来越多了,然而,我们发现,很多人自认的睡眠时间和仪器测量的时间存在着很大的差异,在睡眠实验室里,自述有失眠症的人中大约有1/3存在这种现象。例如,有些人认为自己可能只睡了5小时,但测量表明,实际上的睡眠时间是7小时。

作者:那什么时候才应该担心呢?

西蒙:真正值得担心的问题是,比如说,你睡眠严重不足到很可能发生意外事故,或是工作时感到非常痛苦。人们低估了从睡眠剥夺期恢复的时间。研究人员让人们加入一个研究项目,连续5个晚上限制他们的睡眠时间,再让他们连续两夜充分睡够10小时,结束时,他们的认知功能仍没恢复正常。

如果你也有睡眠问题,可以尝试一些相对简单的举措,比如定期锻炼,养成规律的光照和睡眠计划,避免白天小睡和过多刺激。但如果以上措施你都做到了,也给自己留出了足够的睡眠时间,却仍然无法睡够想要的时间,或睡眠质量持续很差,就应该向医生求助。对于存在长期睡眠问题的患者,认知行为疗法(CBT)能够达到目前已知的最高治疗水平。CBT是一种结构化的心理疗法,能针对导致睡眠不佳的思想和行为进行治疗。通常而言,关键是要在睡前创造适当的条件,这样我们就可以放松心态,使促进睡眠的生物驱动力(睡眠压力和昼夜节律)超过清醒驱力。

随着对睡眠神经科学了解的日益深入,我们意识到睡眠可能不是一件“全或无”的事情。最近牛津大学的一项研究表明,如果将小鼠的单个神经元都记录下来,你会发现,在同一大脑的同一时间,会有一些神经元处于睡眠状态,另一些则处于活跃状态。我们称之为“局部睡眠”(local sleep)。因此,有些时候,人们会在夜间意识到某些事情,尽管此时脑的整体可能都已经睡着了,但仍有一部分神经元处在清醒状态,还在思考和处理信息。这可能是人们感觉自己比实际上睡得更差的原因之一。

作者:我们到底需要多少脑子?

西蒙:我想我们需要它的全部!虽然,关于脑的观点可能需要更有针对性一些——因为应对不同任务、使用不同脑区的程度全都因人而异。通过对无意识和昏迷的研究,我们也得到了更清楚的认识,即使在这些特殊状态下,认知能力在一定程度上也可能存在。

本书一位作者的昵称。——编者注

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