Hva hjernen din gjør når du ikke gjør noe | Quanta Magazine

Når du aktivt utfører en oppgave - for eksempel løfte vekter på treningsstudioet eller tar en hard eksamen - blir delene av hjernen din som kreves for å utføre den "aktive" når nevroner øker sin elektriske aktivitet. Men er hjernen din aktiv selv når du soner ut på sofaen?

Svaret, har forskere funnet, er ja. I løpet av de siste to tiårene har de definert det som er kjent som standardmodusnettverket, en samling av tilsynelatende urelaterte områder av hjernen som aktiveres når du ikke gjør mye i det hele tatt. Oppdagelsen har gitt innsikt i hvordan hjernen fungerer utenfor veldefinerte oppgaver og har også ført til forskning på rollen til hjernenettverk - ikke bare hjerneregioner - i styringen av vår interne opplevelse.

På slutten av 20-tallet begynte nevrovitenskapsmenn å bruke nye teknikker for å ta bilder av menneskers hjerner mens de utførte oppgaver i skannemaskiner. Som forventet økte aktiviteten i visse hjerneområder under oppgavene - og til forskernes overraskelse falt aktiviteten i andre hjerneområder samtidig. Nevroforskerne var fascinert over at de samme hjerneområdene konsekvent satte tilbake aktiviteten under en lang rekke oppgaver.

Det var som om disse områdene hadde vært aktive når personen ikke gjorde noe, og deretter slått av når sinnet måtte konsentrere seg om noe eksternt.

Forskere kalte disse områdene "oppgavenegative." Da de først ble identifisert, Marcus Raichle, en nevrolog ved Washington University School of Medicine i St. Louis, mistenkte at disse oppgavenegative områdene spiller en viktig rolle i det hvilende sinnet. "Dette reiste spørsmålet om 'Hva er baseline hjerneaktivitet?'" husket Raichle. I et eksperiment ba han folk i skannere om å lukke øynene og bare la tankene vandre mens han målte hjerneaktiviteten deres.

Han fant at under hvile, når vi vender oss mentalt innover, bruker oppgavenegative områder mer energi enn resten av hjernen. I en avis fra 2001 kalte han denne aktiviteten "en standard modus for hjernefunksjon." To år senere, etter å ha generert data med høyere oppløsning, oppdaget et team fra Stanford University School of Medicine at denne oppgavenegative aktiviteten definerer et sammenhengende nettverk av samvirkende hjerneregioner, som de kalte standardmodusnettverket.

Oppdagelsen av standardmodusnettverket vekket nysgjerrighet blant nevrovitenskapsmenn om hva hjernen gjør i fravær av en utadfokusert oppgave. Selv om noen forskere mente at nettverkets hovedfunksjon var å generere vår opplevelse av tankevandring eller dagdrømmer, var det mange andre formodninger. Kanskje kontrollerte det strømmer av bevissthet eller aktiverte minner om tidligere erfaringer. Og dysfunksjon i standardmodusnettverket ble fløt som et potensielt trekk ved nesten alle psykiatriske og nevrologiske lidelser, inkludert depresjon, schizofreni og Alzheimers sykdom.

Siden den gang har en mengde forskning på standardmodusen komplisert den første forståelsen. "Det har vært veldig interessant å se typene forskjellige oppgaver og paradigmer som engasjerer standardmodusnettverket de siste 20 årene," sa Lucina Uddin, en nevroforsker ved University of California, Los Angeles.

Standardmodusen var et av de første hjernenettverkene preget av vitenskap. Den består av en håndfull hjerneregioner, inkludert noen få foran i hjernen, som de dorsale og ventrale mediale prefrontale cortexene, og andre spredt over hele organet, som den bakre cingulate cortex, precuneus og vinkelgyrus. Disse regionene er assosiert med hukommelse, erfaringsreplay, prediksjon, handlingsbetraktning, belønning/straff og informasjonsintegrasjon. (Den fargede uthevingen i følgende figur indikerer noen av de ytre hjerneområdene som blir mer aktive når standardnettverket kobles inn.)

Siden oppdagelsen har nevrovitenskapsmenn løst identifisert en håndfull ekstra distinkte nettverk som hver aktiverer tilsynelatende forskjellige områder av hjernen. Disse aktiverte områdene virker ikke uavhengig, men harmoniserer heller synkront med hverandre. "Du kan ikke tenke på et symfoniorkester som bare fioliner eller oboer," sa Raichle. På samme måte, i et hjernenettverk, samhandler de enkelte delene for å få til effekter som de bare kan produsere sammen.

I følge forskning inkluderer effekten av standardmodusnettverket tankevandring, å huske tidligere erfaringer, tenke på andres mentale tilstander, se for seg fremtiden og bearbeide språk. Selv om dette kan virke som en pakke med ikke-relaterte aspekter ved kognisjon, Vinod Menon, direktøren for Stanford Cognitive & Systems Neuroscience Laboratory, teoretiserte nylig at alle disse funksjonene kan være nyttige i å konstruere en intern fortelling. Etter hans syn hjelper standardmodusnettverket deg til å tenke på hvem du er i forhold til andre, huske dine tidligere erfaringer og deretter pakke alt dette inn i en sammenhengende selvfortelling.

Standardmodusen er helt klart opp til noe komplisert; det er involvert i mange forskjellige prosesser som ikke kan beskrives pent. "Det er litt dumt å tenke på at vi noen gang kommer til å være sånn: "Denne hjerneregionen eller et hjernenettverk gjør én ting," sa Uddin. "Jeg tror ikke det er slik det fungerer."

Uddin begynte å undersøke standardmodusnettverket fordi hun var interessert i selvgjenkjenning, og mange selvgjenkjenningsoppgaver, som å identifisere ditt eget ansikt eller stemme, så ut til å være assosiert med nettverket. De siste årene har hun flyttet oppmerksomheten mot interaksjoner mellom hjernenettverk. Akkurat som forskjellige hjerneområder samhandler med hverandre for å danne nettverk, samhandler forskjellige nettverk med hverandre på meningsfulle måter, sa Uddin. "Nettverksinteraksjoner er mer oppklarende å studere på noen måter enn bare et nettverk isolert fordi de fungerer sammen og deretter skilles fra hverandre og deretter endre hva de gjør over tid."

Hun er spesielt interessert i hvordan standardmodusnettverket samhandler med salience-nettverket, som ser ut til å hjelpe oss med å identifisere den mest relevante informasjonen til enhver tid. Arbeidet hennes antyder at salience-nettverket oppdager når noe er viktig å være oppmerksom på og deretter fungerer som en av-bryter for standardmodusnettverket.

Forskere har også undersøkt om psykiske lidelser som depresjon kan være knyttet til problemer med standardmodusnettverket. Så langt har funnene vært usikre. Hos personer med depresjon, for eksempel, har noen forskere funnet ut at nettverksnoder er altfor koblet, mens andre har funnet det motsatte - at noder ikke klarer å koble seg sammen. Og i noen studier er ikke selve standardmodusnettverket unormalt, men dets interaksjoner med andre nettverk er det. Disse funnene kan virke uforenlige, men de stemmer overens med nylige funn som depresjon kanskje er en klynge av forskjellige lidelser som har lignende symptomer.

I mellomtiden har Menon utviklet det han kaller trippelnettverksteori. Den antyder at unormale interaksjoner mellom standardmodusnettverket, salience-nettverket og et tredje kalt frontoparietal-nettverket kan bidra til psykiske lidelser inkludert schizofreni, depresjon, angst, demens og autisme. Vanligvis reduseres aktiviteten til standardmodusnettverket når noen tar hensyn til en ekstern stimulans, mens aktiviteten i de to andre nettverkene øker. Dette push og pull mellom nettverk fungerer kanskje ikke på samme måte hos personer med psykiatriske eller utviklingsforstyrrelser, mistenker Menon.

Deanna Barch, som studerer nevrobiologien til psykiske sykdommer ved Washington University i St. Louis, er fascinert av trippelnettverksteorien. Å undersøke hvordan nettverk er koblet opp annerledes hos mennesker med psykiske lidelser kan hjelpe forskere med å finne underliggende mekanismer og utvikle behandlinger, sa hun. Hun tror imidlertid ikke nettverksinteraksjoner alene vil forklare psykisk sykdom fullt ut. "Jeg tenker på å forstå tilkoblingsforskjeller som et utgangspunkt," sa Barch. "Det er ikke et endepunkt."

Den nåværende forståelsen av standardmodusnettverket er sikkert heller ikke endepunktet. Siden oppdagelsen har den presset nevrovitenskapsmenn til å tenke utover ansvaret til enkelt hjerneregioner til effektene av interaksjoner mellom hjernenettverk. Og det har drevet mange mennesker til å sette pris på sinnets innadfokuserte aktiviteter - at selv når vi dagdrømmer eller hviler, jobber hjernen vår hardt for å få det til å skje.