Hvad din hjerne laver, når du ikke laver noget | Quanta Magasinet

Når du aktivt udfører en opgave - f.eks. løfter vægte i fitnesscentret eller tager en hård eksamen - bliver de dele af din hjerne, der er nødvendige for at udføre den, "aktive", når neuroner øger deres elektriske aktivitet. Men er din hjerne aktiv, selv når du er ude på sofaen?

Svaret, har forskere fundet, er ja. I løbet af de sidste to årtier har de defineret det, der er kendt som standardtilstandsnetværket, en samling af tilsyneladende ikke-relaterede områder af hjernen, der aktiveres, når du ikke laver meget overhovedet. Dens opdagelse har givet indsigt i, hvordan hjernen fungerer uden for veldefinerede opgaver og har også foranlediget forskning i hjernenetværkenes rolle - ikke kun hjerneregioner - i styringen af ​​vores interne oplevelse.

I slutningen af ​​det 20. århundrede begyndte neurovidenskabsmænd at bruge nye teknikker til at tage billeder af folks hjerner, mens de udførte opgaver i scanningsmaskiner. Som forventet steg aktiviteten i visse hjerneområder under opgaver - og til forskernes overraskelse faldt aktiviteten i andre hjerneområder samtidigt. Neuroforskerne var fascineret af, at de selv samme hjerneområder konsekvent satte deres aktivitet tilbage under en lang række opgaver.

Det var, som om disse områder havde været aktive, når personen ikke lavede noget, og så slukket, når sindet skulle koncentrere sig om noget eksternt.

Forskere kaldte disse områder "opgavenegative." Da de først blev identificeret, Marcus Raichle, en neurolog ved Washington University School of Medicine i St. Louis, mistænkte, at disse opgavenegative områder spiller en vigtig rolle i det hvilende sind. "Dette rejste spørgsmålet om 'Hvad er baseline hjerneaktivitet?'" huskede Raichle. I et eksperiment bad han folk i scannere om at lukke øjnene og blot lade tankerne vandre, mens han målte deres hjerneaktivitet.

Han fandt ud af, at under hvile, når vi vender mentalt indad, bruger opgavenegative områder mere energi end resten af ​​hjernen. I et papir fra 2001 kaldte han denne aktivitet "en standardtilstand for hjernefunktion." To år senere, efter at have genereret data i højere opløsning, opdagede et hold fra Stanford University School of Medicine, at denne opgavenegative aktivitet definerer et sammenhængende netværk af interagerende hjerneregioner, som de kaldte netværket i standardtilstand.

Opdagelsen af ​​standardtilstandsnetværket satte gang i nysgerrigheden blandt neurovidenskabsmænd om, hvad hjernen laver i fraværet af en udadrettet opgave. Selvom nogle forskere mente, at netværkets hovedfunktion var at generere vores oplevelse af sindets vandring eller dagdrømmeri, var der masser af andre formodninger. Måske kontrollerede det strømme af bevidsthed eller aktiverede minder om tidligere oplevelser. Og dysfunktion i standardtilstandsnetværket blev bragt på banen som et potentielt træk ved næsten enhver psykiatrisk og neurologisk lidelse, inklusive depression, skizofreni og Alzheimers sygdom.

Siden da har en byge af forskning i standardtilstanden kompliceret den indledende forståelse. "Det har været meget interessant at se de typer af forskellige opgaver og paradigmer, der involverer standardtilstandsnetværket i de sidste 20 år," sagde Lucina Uddin, neuroforsker ved University of California, Los Angeles.

Standardtilstanden var et af de første hjernenetværk præget af videnskab. Den består af en håndfuld hjerneregioner, herunder nogle få på forsiden af ​​hjernen, som de dorsale og ventrale mediale præfrontale cortex, og andre spredt ud over hele organet, som den bageste cingulate cortex, precuneus og den kantede gyrus. Disse regioner er forbundet med hukommelse, oplevelsesgenspilning, forudsigelse, handlingsovervejelse, belønning/straf og informationsintegration. (Den farvede fremhævning i den følgende figur angiver nogle af de ydre hjerneområder, der bliver mere aktive, når standardnetværket aktiveres.)

Siden opdagelsen har neuroforskere løst identificeret en håndfuld yderligere forskellige netværk, der hver aktiverer tilsyneladende forskellige områder af hjernen. Disse aktiverede områder virker ikke uafhængigt, men harmonerer snarere synkront med hinanden. "Du kan ikke tænke på et symfoniorkester som bare violiner eller oboer," sagde Raichle. På samme måde, i et hjernenetværk, interagerer de enkelte dele for at skabe effekter, som de kun kan producere sammen.

Ifølge forskning omfatter virkningerne af standardtilstandsnetværket at vandre tanker, huske tidligere oplevelser, tænke på andres mentale tilstande, forestille sig fremtiden og bearbejde sprog. Selvom dette kan virke som en pakkepose af ikke-relaterede aspekter af kognition, Vinod Menon, direktøren for Stanford Cognitive & Systems Neuroscience Laboratory, teoretiserede for nylig, at alle disse funktioner kan være nyttige i at konstruere en indre fortælling. Efter hans opfattelse hjælper standardtilstandsnetværket dig med at tænke over, hvem du er i forhold til andre, genkalde dine tidligere oplevelser og derefter pakke alt det ind i en sammenhængende selvfortælling.

Standardtilstanden er tydeligvis op til noget kompliceret; det er involveret i mange forskellige processer, som ikke kan beskrives pænt. "Det er lidt fjollet at tro, at vi nogensinde kommer til at være sådan, 'Denne ene hjerneregion eller et hjernenetværk gør én ting'," sagde Uddin. "Jeg tror ikke, det er sådan, det fungerer."

Uddin begyndte at undersøge standardtilstandsnetværket, fordi hun var interesseret i selvgenkendelse, og mange selvgenkendelsesopgaver, såsom at identificere dit eget ansigt eller din stemme, så ud til at være forbundet med netværket. I de senere år har hun flyttet sin opmærksomhed til interaktioner mellem hjernenetværk. Ligesom forskellige hjerneområder interagerer med hinanden for at danne netværk, interagerer forskellige netværk med hinanden på meningsfulde måder, sagde Uddin. "Netværksinteraktioner er mere belysende at studere på nogle måder end blot et netværk i isolation, fordi de arbejder sammen og derefter skilles fra hinanden og derefter ændre, hvad de laver over tid."

Hun er især interesseret i, hvordan standardtilstandsnetværket interagerer med salience-netværket, som ser ud til at hjælpe os med at identificere den mest relevante information til enhver tid. Hendes arbejde tyder på, at salience-netværket registrerer, når noget er vigtigt at være opmærksom på, og derefter fungerer som en slukket kontakt for standardtilstandsnetværket.

Forskere har også undersøgt, om psykiske lidelser som depression kunne være forbundet med problemer med standardtilstandsnetværket. Indtil videre har resultaterne været usikre. Hos mennesker med depression, for eksempel, har nogle forskere fundet ud af, at netværksknuder er alt for forbundet, mens andre har fundet det modsatte - at noder ikke kan forbindes. Og i nogle undersøgelser er selve standardtilstandsnetværket ikke unormalt, men dets interaktioner med andre netværk er det. Disse fund kan forekomme uforenelige, men de stemmer overens med de seneste fund, som depression måske er en klynge af forskellige lidelser der har lignende symptomer.

I mellemtiden har Menon udviklet det, han kalder tredobbelt netværksteori. Den hævder, at unormale interaktioner mellem standard-mode-netværket, salience-netværket og et tredje kaldet frontoparietal-netværket kan bidrage til psykiske lidelser, herunder skizofreni, depression, angst, demens og autisme. Typisk falder aktiviteten i standardtilstandsnetværket, når nogen er opmærksom på en ekstern stimulus, mens aktiviteten i de to andre netværk stiger. Dette push og pull mellem netværk fungerer muligvis ikke på samme måde hos mennesker med psykiatriske eller udviklingsforstyrrelser, formoder Menon.

Deanna Barch, der studerer neurobiologien af ​​psykiske sygdomme ved Washington University i St. Louis, er fascineret af teorien om tredobbelt netværk. At undersøge, hvordan netværk er forbundet forskelligt hos mennesker med psykiske lidelser, kan hjælpe forskere med at finde underliggende mekanismer og udvikle behandlinger, sagde hun. Hun tror dog ikke, at netværksinteraktioner alene fuldt ud kan forklare psykisk sygdom. "Jeg tænker på at forstå forbindelsesforskelle som et udgangspunkt," sagde Barch. "Det er ikke et slutpunkt."

Den nuværende forståelse af standardtilstandsnetværket er bestemt heller ikke dets endepunkt. Siden opdagelsen har det skubbet neurovidenskabsfolk til at tænke ud over ansvaret for enkelte hjerneregioner til virkningerne af interaktioner mellem hjernenetværk. Og det har drevet mange mennesker til at værdsætte sindets indadfokuserede aktiviteter - at selv når vi dagdrømmer eller hviler, er vores hjerne hårdt på arbejde med at få det til at ske.