Nature:大脑如何控制疲劳感
作者: mints 编译 / 202次阅读 时间: 2020年9月15日
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约翰·霍普金斯医学院的科学家利用核磁共振扫描和计算机建模技术,进一步确定了大脑努力应对疲劳的区域。

他们说,这项发现可以促进行为策略和其他策略的改变,从而提高健康人的身体素质,也可以阐明导致抑郁症、多发性脑硬化症、中风患者疲劳感的神经机制。

这项研究结果发表在8月12日的《自然通讯》上。

Patrick S. Hogan, Steven X. Chen, Wen Wen Teh, Vikram S. Chib. Neural mechanisms underlying the effects of physical fatigue on effort-based choice. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-17855-5

约翰·霍普金斯大学医学院生物医学工程助理教授,肯尼迪·克里格研究所(Kennedy Krieger Institute)研究科学家Vikram Chib博士说:“我们都知道疲劳会造成一些生理反应,比如乳酸会在肌肉中积累。但我们对大脑中处理疲劳感的过程,以及我们的大脑是如何决定克服疲劳和的程度和努力程度,我们知之甚少。”

Chib说,了解大脑在疲劳—缓解过程中控制的脑区,可以帮助科学家找到精确改变这些选择的新疗法。

Chib说,“之前的观点认为,大脑通过疲劳获得能量,这种观点可能并不十分靠谱。如果大脑发送信号的效率更高,大脑可能就会更加受益。”


研究方法

在这项研究中,Chib首先开发了一种新的方法来客观量化人们“感觉到的”疲劳的程度,这是一项艰巨的任务,因为评分系统可能因人而异。医生经常要求病人对他们的疲劳程度进行1~7分的评分,但是这种评分主观程度较高,而且因人而异。

为了使疲劳指标标准化,Chib要求20名受试者对特定的体力劳动做出以风险为基础的决策。参与者的平均年龄为24岁,年龄从18岁到34岁不等。20人中有9人是女性

研究人员首先对20名被试进行了训练,让他们学习评级系统,然后让他们抓住并挤压一个传感器。例如,0等于不用力,50单位力等于参与者最大力气的一半。参与者学会了将努力单位与挤压量联系起来,这有助于使个人的努力水平标准化。

受试者重复了17组的握力练习,每次进行10次,直到他们感到疲劳为止,然后让他们在两种风险选择中选择一种。一种是基于抛硬币的随机(“风险”)选择,这项选择不需要付出任何努力,也不需要预先确定需要付出多少努力。另一个选择是预先设定好的努力水平。

通过引入不确定性,研究人员发现了每个受试者评价自己努力的方式——也就是说,这种方法实际上显示了他们的大脑在决定要付出多少努力时的运作方式。

根据参与者是否选择了一个有风险的选项而不是预先确定的选项,研究人员使用计算机程序测量了参与者在疲劳时尽力挤压传感器时的希望感受。


研究结果

Chib说:“不出所料,我们发现人们往往都会规避风险。大多数参与者(20人中的19人)选择了无风险的选项,即预先确定的努力水平。这意味着参与者在疲劳时不太愿意冒险尝试付出大量的努力。

Chib说:“如果想让参与者选择抛硬币选项,那么,预先确定的金额必须相当高。”

另一组被试(10人)也接受过抓握系统训练,只是没有进行过很多次的疲劳试验,结果显示,这组被试在选择掷硬币或确定性的努力方面没有明显的倾向性。

Chib的研究小组还利用功能性磁共振成像(fMRI)扫描了参与者在抓握运动中的大脑活动,研究者根据扫描获得的脑中的血液流动情况,确定了在执行这项任务时经常被激活的神经元

Chib的研究小组证实了之前的发现,当参与者在这两种选择中做出选择时,所有参与者脑岛区域的活动似乎都会增加。

他们还利用功能磁共振成像(fMRI)仔细观察了参与者疲劳时大脑的运动皮层。运动皮层对大脑的努力付出负责。研究人员发现,当参与者在“做出决定”时,运动皮层被激活。这一发现与先前的研究结论一致,即,当人们反复执行疲惫的任务时,运动皮层的活动就会减少,并且让传递到肌肉的信号也减少了。

现在我们知道,参与者在应对疲惫任务时,他们大脑的运动皮质活动会减少,而那些减少程度最小的情况,是那些是那些对自己的努力选择最厌恶风险并且最疲倦的人。也就是说,这表明疲劳可能源于个人认为自己能够实现的目标与运动皮层的实际活动之间的校准误差(miscalibration)。

本质上,让人们疲劳的时候,身体会对运动皮层进行调节,因为如果大脑不断地向肌肉发送更多的信号以促使其行动,生理上的约束就会开始占上风,例如乳酸的增加,从而导致更多的疲劳。

Chib说,这些发现可能会推动针对健康人和患有与疲劳相关疾病的人的物理或化学疗法的研究。

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