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新理论！大脑前额叶皮层中有毒副产物的积累导致认知疲劳，与大脑外侧前额叶皮层谷氨酸代谢改变有关
工作日程满，感觉身体被掏空；打工压力大，到家只想躺平刷手机？每天的动脑思考总是让人疲惫不堪，感觉“脑子不会转了”。近日，来自巴黎Piti-Salptrire医院的研究人员揭示了认知疲劳的罪魁祸首[1]，研究在国际知名期刊CurrentBiology发表。
什么是认知控制与认知疲劳？
认知控制是指从认知上控制自己的行为直到目标达成的能力[2]。这一过程包括选择目标、制定行动计划及自我监督。认知控制是一个复杂的心理过程，涉及许多不同的脑区，其中最重要的是外侧前额叶皮层（lateralprefrontalcortex，lPFC）[3]。
认知疲劳是大脑制造的一种感觉，其目的是让我们停止正在做的事情，转而从事更令人愉快或更有回报的事情[4]。在这一理论中，疲劳源于成本效益计算。MathiasPessiglione表示，大脑疲劳源于认知控制的成本增加，成本可能源于支撑认知控制的大脑区域的代谢改变，如需要清除在认知控制过程中积累的废物。
研究对象及方法
研究人员招募了40名参与者，根据参与认知任务的困难程度，将其分为简单组（n=16）和困难组（n=24）。
为了诱发认知疲劳，所有参与者都需要在6.25小时内执行两个认知控制任务（N-switch与N-back）。在每个组块中，认知任务包括24个N-switch试验或N-back试验。N-switch任务要求参与者根据字母颜色，完成元音和辅音或大写和小写的区分，任务难度取决于字母颜色变化的速度；N-back任务要求参与者陈述屏幕上的字母是否与之前试验中出现的字母相同，任务难度取决于两次测试之间的时间间隔。
为了研究认知疲劳，参与者被要求在每24次试验后做出4次经济决策。每个选择都设计为小奖励/低成本或大奖励/高成本模式。成本类型包括奖励发放时间、获得奖励的概率、认知劳动和体力劳动。奖励发放时间的范围从0（在实验后立即以现金形式收到奖励）到1年（通过银行转账收到奖励）；获得奖励的概率从5%到%不等；认知劳动为试验结束后继续完成30分钟的认知任务；体力劳动为在试验结束后骑30min动感单车。
图1：实验设计模式图。从上至下：每个组块包括24次认知试验和4次经济决策试验。参与者的认知任务与经济决策交替进行5个周期，每个周期包含75个组块。
研究结果：认知疲劳的行为学测量——主观疲劳报告不可靠，低成本选择偏倚参数可捕捉认知疲劳的特征
研究人员对参与者的客观表现（认知任务的表现下降）和主观评分（自我疲劳评分）进行了分析，以评估两组参与者的认知疲劳程度。结果显示，简单组和困难组的任务表现相近（参与者被告知如果平均正确率保持在90%可获得一定的奖励）。两组参与者的自我疲劳评分也无统计学差异。因此，研究表明人们通常无法主观报告与任务难度相关的疲劳，即认知控制的负荷程度。
图2：随着时间的进展，两组参与者在认知任务中的平均正确率与主观疲劳评分
通过分析两组参与者的经济决策行为，研究人员发现困难组的参与者在经济决策中更偏向于低成本模式，由此推测，认知疲劳改变了人们做决定的方式，导致参与者偏爱认知控制成本低的选择。
图3：随着时间的进展，两组参与者在经济决策中的低成本选择偏倚参数。
结果：瞳孔测量——衡量认知控制成本的另一指标
瞳孔扩张与认知控制所需投入的精力相关。通过眼动追踪，困难组参与者的瞳孔扩张明显减少，提示参与者处于认知疲劳状态时，在经济决策中投入的精力较少。此外，瞳孔扩张减少表明经济决策期间认知控制的减少是由lPFC促进的[5]。
图4：随着时间的进展，两组参与者的瞳孔扩张变化
结果：深度解析——高需求的认知工作增加lPFC中的谷氨酸浓度
研究人员从神经代谢的角度提出认知控制的投入是经过成本/收益权衡的，其会根据预期的成本和收益调节认知控制的投入强度，并在此过程中消耗一定的代谢资源或积累毒性副产物。研究人员依据假设构建了模型，该模型假设代谢改变（1）只会发生在执行困难的认知任务时，（2）只会影响lPFC（与认知疲劳相关的区域），（3）会随着认知控制投入的增加而逐渐积累，直到达到平台期。这一模型预测了认知任务组、大脑区域、执行任务时长三方交互作用。
图5：认知控制的脑代谢预测模型
为探索认知控制背后的脑代谢机制，研究人员利用磁共振波谱测量参与者lPFC的代谢物浓度。结果发现谷氨酸是唯一显示出三方交互作用（认知任务组、大脑区域、执行任务投入）的代谢物。相比简单组，困难组参与者的大脑lPFC区中谷氨酸浓度以及谷氨酸和谷氨酰胺总量的表观扩散系数水平更高。因此，需要更高认知控制需求的任务与更高的谷氨酸释放相关，从而导致整个深度思考的时间内更多的谷氨酸积累。
图6：左：两组参与者lPFC脑区中归一化后的谷氨酸浓度；右：两组参与者lPFC脑区中谷氨酸和谷氨酰胺总量的表观扩散系数
结果：相关性分析——认知疲劳状态下大脑代谢与经济决策行为存在相关性
研究人员发现认知疲劳时经济决策倾向于低成本的程度与谷氨酸浓度和谷氨酰胺总量扩散增加均存在正相关性，且与谷氨酰胺总量扩散增加有显著的统计学差异。
图7：参与者决策行为与谷氨酸浓度和扩散水平之间的相关性分析
总的来说，这些结果支持了一种神经代谢模型来解释认知疲劳产生的机制，即谷氨酸积累触发了一种神经调节机制，使lPFC的激活成本更高，导致劳累的工作后很难再调动认知控制，这也解释了为什么绝大部分人在下班过后更不愿意动脑子。
此外，研究者MathiasPessiglione认为，由于人们可能无法准确的主观报道认知疲劳，监测lPFC的代谢改变可以帮助检测严重的精神疲劳，并帮助调整工作日程。值得注意的是，由于有充分的证据表明睡眠时谷氨酸会从突触中消失[6]，保持充足的睡眠和休息可能会使大脑工作效率更高哦！
参考文献：
[1]WIEHLERA,BRANZOLIF,ADANYEGUHI,etal.Aneuro-metabolicaccountofwhydaylongcognitiveworkaltersthecontrolofeconomicdecisions[J].Currentbiology:CB,,32(16):-75.e5.
[2]KOECHLINE,SUMMERFIELDC.Aninformationtheoreticalapproachtoprefrontalexecutivefunction[J].Trendsincognitivesciences,,11(6):-35.
[3]SOUTSCHEKA,TOBLERPN.Causalroleoflateralprefrontalcortexinmentaleffortandfatigue[J].Humanbrainmapping,,41(16):-40.
[4]KURZBANR,DUCKWORTHA,KABLEJW,etal.Anopportunitycostmodelofsubjectiveeffortandtaskperformance[J].TheBehavioralandbrainsciences,,36(6):-79.
[5]SHENHAVA,BOTVINICKMM,COHENJD.Theexpectedvalueofcontrol:anintegrativetheoryofanteriorcingulatecortexfunction[J].Neuron,,79(2):-40.
[6]WATSON
CJ,LYDICR,BAGHDOYANHA.Sleepdurationvariesasafunctionofglutamate
andGABAinratpontinereticularformation[J].Journalofneurochemistry,
,(4):-80.
本文来源丨医学界神经病学频道
本文作者丨王歌
本文审核丨李土明副主任医师
责任编辑丨陆离先生向宇
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