大脑也会“累”？科学家揭开脑力疲劳的真相

1996年，俄罗斯国际象棋大师加里·卡斯帕罗夫在与IBM的“深蓝”计算机首次系列对弈接近尾声时，感叹自己面临不公平的劣势：“我真的很累。这些比赛耗费了大量精力。但如果是和普通人类比赛，对手也会感到疲惫。”

为什么高强度思考会让人感到疲惫

机器智能只要有电源就能持续运行，而人类大脑却会疲劳——这种感受并非只有国际象棋大师才有。任何人在漫长的工作日、学习日过后，或是在处理日常生活中无数决策时，都可能感到精疲力尽。这种认知疲劳会削弱动力、模糊注意力、侵蚀判断力，还会增加粗心犯错的几率。尤其当与睡眠不足或昼夜节律紊乱结合时，认知疲劳还可能导致致命的医疗差错和道路交通事故。

正是卡斯帕罗夫的疲惫感言，在一定程度上启发了巴黎脑科学研究所认知神经科学家、研究主任马蒂亚斯·佩西格里奥内研究疲惫的大脑。他想知道：“为什么这个认知系统容易疲劳？”

长期以来，研究人员和临床医生一直在努力定义、测量和治疗认知疲劳，但主要依赖于人们对自身疲劳程度的主观报告。然而现在，来自不同学科的科学家正采用创新的实验方法和生物标志物，来探究认知疲劳的代谢根源及其后果。

这种研究努力获得了更多关注和资金支持，很大程度上是因为长新冠。马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯大学的生物医学工程师维克拉姆·奇布说，大约每100名新冠病毒（SARS-CoV-2）感染者中就有6人会患上长新冠。“长新冠的主要症状就是疲劳，”奇布说，“我认为这让很多人开始关注这个问题。”

奇布和其他研究人员希望，对认知疲劳的基本理解不仅能帮助数十亿偶尔面临疲劳的人，也能帮助数千万长期遭受极端慢性疲劳困扰的人。除了在长新冠中常见，严重的疲劳还是慢性疲劳综合征（也称为肌痛性脑脊髓炎，ME/CFS）、创伤后应激障碍、多发性硬化症、抑郁症和帕金森病的症状之一。癌症治疗、头部损伤、中风或接触某些毒素后，也可能出现极端的精神疲惫。

“疲劳是一个大问题，”奇布说，“我们真的需要弄清楚——如何研究它，以及如何干预它。”

什么是认知疲劳？

在象棋比赛开始时，职业棋手可能会依赖熟练的开局。“前五、六或七步棋可以不假思索地走出来，”佩西格里奥内说。但当棋盘上出现不熟悉的局面时，棋手就没有现成的套路了。他说，这时他们“需要思考”。司机拐到一条陌生的街道上也是如此。在他们走过数百次的道路上，大脑可以进入“自动驾驶”模式。但佩西格里奥内说，如果走一条不熟悉的路线，大脑的负担就会加重。

科学家将这种费力地引导和调节思维的过程称为认知控制。主流理论认为，随着时间的推移，维持这种控制会让大脑付出代价，疲劳也随之产生。科学家们并不完全确定原因。一些人认为这与细胞在能量供应紧张时的应对方式有关；另一些人则认为与神经活动产生的毒素积累有关1。但研究人员普遍认为，疲劳感具有保护作用——它是一种警告，表明大脑已接近生理极限，需要休息了。

1996年和1997年的象棋比赛中，俄罗斯国际象棋大师加里·卡斯帕罗夫感到疲惫，而他的对手IBM的“深蓝”计算机却不会。

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科学家说，多个脑区的分子可能参与其中。研究人员发现，认知疲劳与葡萄糖、乳酸等代谢物水平的变化，谷氨酸、腺苷等神经化学信使，以及一种参与学习和记忆的蛋白质——脑源性神经营养因子的水平变化存在潜在联系2。即使是与阿尔茨海默病相关的蛋白质片段β-淀粉样蛋白，也可能通过破坏突触、干扰谷氨酸的清除或增加神经炎症来导致认知疲劳3。但目前还不确定哪些是标志物，哪些是原因。

比利时根特大学的认知神经科学家克莱·霍洛伊德是支持认知疲劳“毒素积累理论”的研究人员之一。这种观点在过去五年左右越来越受关注，尽管目前还不清楚具体的代谢废物是什么。他将疲劳感比作疼痛：两者都在保护身体免受累积损伤方面发挥作用。

但他说，即使一个人起初忽视这种感觉，在大多数情况下，也几乎不会有真正的代谢损伤风险。“我们有自动的故障保护机制，”他说，“你可以在一段时间内非常、非常、非常努力地工作，但最终你还是需要睡觉。”虽然从任务中休息一下可以暂时缓解疲劳，但睡眠具有更强的恢复作用。睡眠，尤其是慢波深度睡眠，就像大脑的夜间维护。它会清除代谢废物，重新校准回路和细胞，以便它们能最好地利用能量储备。

寻求更好的测量方法

传统上，认知疲劳的量化要么是通过让人们报告自己的疲劳程度，要么是通过检测他们在工作记忆测试或其他任务中的表现变化。科学家们说，这些测量方法并不理想。表现下降可能会被动机、无聊和挫折感等因素掩盖。表现也可以通过训练来弥补，比如棋手将一系列走棋动作自动化。

同时，主观报告具有主观性和不可靠性。“人们很难准确判断自己的疲劳程度，”密歇根大学安娜堡分校计算医学研究员丹尼尔·福格说，他正在研究评估认知疲劳的新方法。

目前的假设是：认知疲劳源于负责认知控制的脑区发生的代谢变化。无论是能量储备耗尽还是废物积累导致的这些变化，都会改变大脑回路对付出脑力努力的成本和收益的权衡——促使人们倾向于选择更容易、能立即获得回报的选项1。

在2022年的一项研究5中，佩西格里奥内和他的团队模拟了一个工作日，让健康的参与者花几个小时完成同一认知任务的简单版或困难版。在一项任务中，参与者观看屏幕上依次出现的字母，必须判断每个新字母是否与之前特定位置的字母匹配。例如，回忆当前字母是否与前第三个字母匹配，比回忆是否与前第一个字母匹配要困难得多。

模拟工作日结束后，参与者要在较小的即时奖励和较大的延迟奖励之间做出选择。完成困难任务的参与者更有可能选择即时满足。这种偏好还与外侧前额叶皮层中谷氨酸（一种被怀疑会随着认知努力而积累的代谢物）的积累增加一致。该脑区参与工作记忆和决策等执行功能，研究发现，在模拟的辛苦工作一天后，该脑区的活动会降低6。

英国伯明翰大学的认知神经科学家马修·阿普斯说，多巴胺的动态变化——它与大脑中的腺苷、谷氨酸和其他代谢物质密切相互作用——可能有助于解释神经代谢压力与疲劳体验之间的联系。因为多巴胺会增强奖励的感知价值，所以它通常会提高付出努力的动机。他认为，持续的努力可能会导致多巴胺水平下降，使人们不太愿意为同样的回报付出努力。

阿普斯和奇布等研究人员表示，这些研究以及类似的研究路线开始揭示这些分子水平和大脑活动指标如何与疲劳感相关联。

奇布说，归根结底，“你的大脑化学物质发生了一些变化”，这些变化改变了你对是否应该付出认知努力的判断。他说，不同人的基础化学物质会有所不同：“你和我的大脑中神经递质的浓度可能不同，这种内在差异可能会让我感到非常疲惫，而你却能够坚持下去。”

这些或类似的化学物质差异可能有助于解释慢性疲劳和其他极端疲劳。在长新冠或ME/CFS患者中，一项小小的脑力任务可能会像进行脑部手术一样令人望而生畏。

佛罗里达州迈阿密的艺术家兼健康教练安娜·莉娅·塔马里斯患有ME/CFS，对她来说，仅仅听音乐或看书往往都需要巨大的努力。“有时候，我一个字都读不下去了，”她说，“想象一下从外科手术的麻醉中醒来时昏昏沉沉的样子。想象你永远无法摆脱那种状态。”

对她来说，认知疲劳和身体疲劳很难分开。她说，任何需要认知努力的任务都会让她身体疲惫，而任何需要体力的任务都会让她精神耗尽。塔马里斯说，她一直在做这样的计算：“这件事值得我付出精力吗？”

研究支持这样一种观点：某些共同的机制可能会导致身体疲劳和认知疲劳，而且两者相互影响7。“如果你跑马拉松，是的，你的身体会有生理疲劳，”阿普斯说，“但天哪，由于维持表现所需的压力和专注力，你也会感受到各种各样的认知疲劳。”

反之亦然。在去年的一项预印本研究中，奇布的团队发现，健康参与者在完成一项脑力任务后，不太愿意付出体力努力8。

其他研究人员正在研究压力、睡眠、昼夜节律和炎症在认知疲劳中的作用及其后果。当大脑没有得到恢复性睡眠时，小群神经元可能会短暂离线。这些局部类睡眠状态可能导致注意力暂时不集中和其他表现失误。