Cur Biol：劳逸结合效率高，不要过度用脑

职业棋手通常在比赛开始4-5小时后会犯错，而当他们休息好时不会犯这些错误。对于为什么下棋会导致认知疲劳，一个共识的解释是，计划行动不能依赖于习得的不费力的套路。因此，要想赢得游戏，就需要具备监控新的情境-动作映射的能力，这种能力被称为认知或执行控制。在神经科学中，行为任务已经发展到通过基于上下文信息的刺激-反应联系的频繁重新映射来改变认知控制的需求，如在工作记忆和任务切换范式中。使用这些范式，功能神经成像研究已经确定当更多的认知控制必须参与时，外侧前额叶-顶叶系统参与其中。

然而，为什么运用认知控制会使人筋疲力尽还不清楚。

巴黎脑研究所Antonius Wiehler等在Current Biology发表重要研究成果，从神经代谢的角度提供了一种可能的解释：认知疲劳产生的机制可能与大脑代谢改变有关。

该研究招募了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）。为诱发认知疲劳，所有参与者需要在6.25 小时内执行N-switch与N-back两个认知控制任务。

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，这个任务的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，这项任务的难度取决于两次测试之间的时间间隔。

此后，两组参与者做出4个经济决策，每个选择都设计为小奖励/低成本（LC）或大奖励/高成本（HC）模式。

图1.研究流程图

Antonius Wiehler等对参与者的客观表现和主观评分进行了分析，评估了认知疲劳程度。随着时间推移，两组参与者认知疲劳程度得分相似。由此推测，人们通常无法主观报告认知控制的负荷程度。

图2-1.认知疲劳的行为测量

但Antonius Wiehler等通过分经济决策行为，发现困难组在经济决策中更偏向于LC模式，由此推测，认知疲劳可能会导致人们倾向于选择认知控制成本低的选项。

图2-2.认知疲劳的瞳孔测量

瞳孔扩张是衡量认知控制成本的指标。该研究组测量了参与者的瞳孔扩张变化，发现随着时间推移，困难组瞳孔扩张明显减少，这意味着处于认知疲劳状态时，在决策中投入的精力较少。

图3.神经-代谢预测

图4.MRS结果

研究组利用磁共振波谱（MRS）检测了参与者大脑lPFC与初级视觉皮层（V1）的代谢物浓度，发现谷氨酸是唯一显示出认知任务组、大脑区域、执行任务时长三方交互作用的代谢物。与简单认知任务组和V1区相比，困难认知任务组lPFC的谷氨酸浓度以及谷氨酸和谷氨酰胺总量（Glx）的ADC水平更高。

图5.行为和MRS测量之间的相关性

图6.将神经活动与代谢指标联系起来的模型

认知疲劳时决策倾向于LC的程度与谷氨酸浓度和Glx扩散增加均呈正相关关系，但仅有Glx扩散增加具有显著的统计学差异，这表明在认知疲劳状态下选择LC选项与Glx扩散水平（谷氨酸的积累）有关。

即使该研究模型证明了认知疲劳的代谢解释可以与成本效益机制框架相结合的概念，在现阶段仍有几个方面有待推测。值得注意的是，如何监测谷氨酸水平来估计认知控制的成本尚不清楚。大脑可能并不会监测谷氨酸本身，而是监测与谷氨酸积累有关的任何现象(如GABA合成)。此外，为什么认知控制区域比视觉皮层等其他区域更容易积累谷氨酸，目前还没有一个解释。另一方面，研究需要探索在休息或睡眠时谷氨酸水平的恢复。有趣的是，认知控制网络在休息状态下被激活，激活默认模式网络，这可能有利于细胞外谷氨酸的清除。此外，研究表明谷氨酸浓度在睡眠期间下降，与脑电图慢波活动有关。因此，谷氨酸可能属于在睡眠中被消除的潜在有毒物质，它可以介导认知疲劳的恢复。最后，由于过度使用认知控制而导致的认知疲劳与其他形式的疲劳之间的关系还有待明确。由于在轻度倦怠综合征和低级别胶质瘤患者中也观察到这一点，我们倾向于相信认知控制成本的升高是疲劳的几种临床表现的关键，但这一推测仍需要实证证实。它还需要在理论上明确认知控制大脑系统的客观疲劳与选择相关标记，以及可能代表临床病人主要抱怨的主观疲劳感觉之间的联系。

结合之前的功能磁共振成像数据，这些结果支持了一个神经代谢模型：谷氨酸的积累触发了一种调节机制，使lPFC的激活成本更高，这解释了为什么在疲劳工作后很难调动认知控制。

原文出处

A neuro-metabolic account of why daylong cognitive work alters the control of economic decisions. Curr Biol. 2022;32(16):3564-3575.e5.