引言
在神经科学领域，大脑的自发活动一直是研究的焦点。Gyorgy Buzsáki 在《Rhythms of the Brain》中提出，大脑是 “预测设备”，其预测能力源于各种自发节律，这一观点推动了相关研究的发展。自发活动是指在没有感觉输入或任务时，大脑的内部活动过程，可通过神经成像和电生理方法进行测量。然而，由于定义差异和比较研究的不足，人们对其功能尚未形成统一理解。
本文作者提出了一种统一理论，认为自发活动是优化大脑预测的基本机制。大脑可被视为一个推理系统，通过内部生成模型对环境、身体状态、行为和认知过程进行推断。在这个过程中，预测和感觉输入之间的差异会产生预测误差，大脑通过更新先验信念或采取行动来最小化这种误差。自发活动在大脑发育和经验积累过程中，学习世界和身体的生成模型，其模式反映了生成模型的先验，动力学则构成了生成模型的内源性动力学。此外，自发活动在在线认知和行为中会约束任务相关活动，在离线时期（休息）则优化生成模型，为未来的互动做准备。
本文旨在评估 “自发脑活动受生成模型先验影响并塑造先验” 这一假设，通过总结人类神经成像实验证据、概述当前关于自发脑活动功能的假设，并重点评估动物研究结果，探究自发脑活动在不同空间和时间尺度上的潜在功能。
自发脑活动的功能重要性
在系统层面，人类的自发脑活动具有重要功能，主要体现在以下四个方面：
- 高代谢消耗：自发脑活动消耗大脑 25% - 40% 的代谢预算，主要用于维持静息电位和低频信号传导，而感觉或运动任务期间的动作电位消耗仅约 10%。正电子发射断层扫描（PET）和功能磁共振成像（fMRI）实验表明，任务期间大脑皮层中放电神经元的激活较为稀疏，神经元在代谢有利的低频范围（0.01 - 0.1Hz）广泛同步。
- 有序的时空模式：自发脑活动并非随机噪声，而是以静息态网络（RSNs）的形式组织成时空活动模式。这些网络由在休息时表现出同步活动、在各种任务中共同激活的区域组成。虽然 RSNs 部分反映了解剖连接性，但在清醒状态和认知过程中，解剖和功能连接性之间的相关性会减弱。在时间上，RSNs 在任务期间表现出低频波动（0.01Hz）和相对稳定的拓扑结构。
- 与行为的相关性：自发活动模式与认知功能的个体差异相关，会随着学习（视觉、感觉运动和记忆等方面）而变化，能够预测新行为的倾向，还与多种临床疾病中的行为异常有关。此外，学习前网络内或网络间的静息相关性强度可预测未来在感知视觉学习、视觉运动学习和记忆方面的表现。
- 与任务诱发活动的相似性：RSNs 的拓扑结构与感觉、运动和认知任务期间的激活模式密切相关，甚至在解剖学细节层面也有空间对齐。休息和任务状态相互作用，任务状态通过统计学习演变，而休息状态提供了塑造和约束任务状态的功能架构。不同任务代表了大脑静息状态活动的子集，表明静息活动对任务相关行为有重要影响。
尽管不同物种的大脑大小存在差异，但自发活动的核心特征在物种间具有一致性。例如，电生理模式（如 α 节律（8 - 12Hz）、海马体涟漪（110 - 200Hz）和 θ 波（1 - 4Hz））在人类、猴子和其他哺乳动物中一致，反映了自组织动力学。人类脑类器官中也能自发复制 θ 波，表明存在固有的神经词汇。神经成像信号（如 BOLD - fMRI 和 Ca²⁺研究）在微观、中观和宏观层面揭示了一致的连接规则，默认模式网络和背侧注意网络在人类和其他灵长类动物中具有相似性，有助于休息期间的模式传播和回响，且这些网络与海马体相互连接，海马体是产生自发顺序事件的关键中心。
当前关于自发脑活动功能的假设
自发活动在早期发育中至关重要，但在成人大脑中的作用仍存在争议。最初，静息态 BOLD - fMRI 信号的时间相关性被认为是生理噪声（如心脏、呼吸相关）和不受控制的认知过程（如内省、记忆回忆、意识流）的结果。然而，观察发现 RSNs 在睡眠和麻醉等认知减少的状态下仍然存在，这对该观点提出了挑战。
另一种假设认为，自发活动模式是塑造任务诱发激活模式的时空 “支架” 或基线条件，通过对感觉、运动和认知模式的统计学习进行优化。有趣的是，任务模式并不总是与休息模式匹配，因为任务状态可能涉及休息时不活跃的网络之间的相互作用，导致休息网络的重组。
还有观点认为，休息活动支持调整突触连接的可塑性机制，有助于知识巩固。休息活动反映了离线过程，随着时间的推移整合和规范化先前任务诱发的活动。例如，手臂石膏固定会导致左右躯体运动皮层之间的连接在几天内显著下降，而仅佩戴石膏不会立即引起变化，这表明运动连接的调节更多地由积累的经验驱动。
本文作者提出的理论在此基础上进一步扩展，认为自发活动代表了大脑的生成和预测模型。大脑通过生成模型不断推断感觉原因，并根据感觉证据进行修正。在休息期间，大脑可能从先验分布中生成 “虚拟数据”，优化模型以应对未来行为。与可塑性和巩固模型不同，该理论强调自发动力学在组合新数据以预测未来输入方面的作用，可能在实际经验之前模拟任务状态。此外，如果自发活动模式源于生成模型，它们可能反映以压缩形式编码众多可能状态的低维表示。
第一个预测：自发活动与感觉诱发活动相似
该预测认为，自发脑活动通过经验与外部刺激和感觉运动模式对齐，这种相似性源于生成模型先验在自发动力学中的表达。在适应良好的统计模型中，先验分布与平均后验分布相似，因此自发活动和任务诱发活动应具有相似性，且这种相似性通过学习逐渐发展，支持离线认知处理和对未来任务状态的前瞻性模拟。
- 视觉研究：在动物模型方面，多项研究表明自发活动与视觉诱发活动存在相似性。在猫的视觉皮层研究中，单单元记录和光学成像显示，闭眼时对定向光栅刺激的诱发反应与自发活动模式在空间上有很强的相关性，相关系数达 0.81。在大鼠视觉皮层中，Han 等人发现自发活动与诱发活动相似，且通过视觉训练相似性会增加。然而，这些研究大多在麻醉状态下进行，存在一定局限性。在清醒动物实验中，也有研究支持这种相似性。例如，对猕猴 V1 区的研究发现，在清醒和麻醉状态下，电压敏感成像和多单元记录都显示出与自发帧的正相关和负相关匹配。在人类视觉研究中，神经成像显示自发活动会重新激活视觉模式。在类别特异性区域（如梭状回面孔区（FFA）和外侧身体区（EBA）），特定类别的模式在休息时更频繁地出现。在早期视觉区域（V1 和 V2），相位打乱刺激的模式重新激活更多，反映了低水平特征。
- 听觉研究：在动物模型中，对大鼠听觉皮层的研究发现，自发活动和任务诱发活动在层状结构上有相似之处，但传播方式不同。在豚鼠和清醒灵长类动物中，也观察到自发活动和听觉刺激诱发活动在时空模式上的相似性。然而，在清醒状态下，不同研究结果存在差异，如在大鼠听觉皮层（2/3）层的钙成像记录发现，麻醉时神经元集合的休息 - 任务相似性较强，而清醒时则不明显。在人类中，听觉领域的研究相对较少，但近期的颅内记录显示，内在时间尺度与听觉诱发反应的时间密切相关。
- 躯体感觉和多领域研究：在小鼠的多项研究中，利用电压敏感成像技术发现，自发活动的全脑时空模式与感觉刺激诱发的模式密切匹配，且这种相似性在麻醉和安静清醒状态下都存在。这些研究还揭示，自发活动通过一组低维时空模式在皮层中重放，这些模式在不同感觉模态中解释了大部分感觉诱发活动，并且在自然情况下可以重组，可能作为复杂行为的先验。但需要注意的是，大多数实验使用人工合成刺激，可能会影响自发活动与诱发活动之间的相似性。
- 海马体和联合皮层研究：在人类和动物模型中，自发活动模式的重放不仅发生在新皮层，也发生在海马体。在睡眠和清醒状态下，海马体中的位置细胞会按顺序放电，反映空间轨迹。训练动物在探索前会出现 “预演”，探索后会出现 “重放”，重放序列在睡眠期间与前额叶皮层（PFC）的时空重新激活相协调，类似于任务诱发模式。人类颅内记录显示，颞叶的单单元放电序列在休息时形成稳定的骨干结构，且在形成和检索新记忆时会发生调制。此外，重放不仅与记忆巩固有关，还与未来规划相关，例如在啮齿动物中，重放序列可以预测新的捷径或轨迹。
综合以上研究，有充分证据表明自发活动在不同感觉皮层及其与大脑其他部分的连接中，会短暂复制感觉刺激诱发的时空模式。训练对自发活动有影响，使其能够适应并预测未来的感觉模式。在清醒状态下，自发活动与感觉诱发活动的相似性与预测机制密切相关，且相似性会因刺激强度和性质而异。然而，目前关于自发活动作为任务处理先验的行为相关性研究较少，且大多数研究集中在初级感觉区域，未来需要更多研究关注联合皮层区域。
第二个预测：自发活动编码运动行为、状态和内感受信号
- 运动相关信号：动物和人类在空闲时会表现出自发运动，如啮齿动物的身体、面部和胡须运动，人类的身体和手部动作、面部表情变化等。自发脑活动可能编码感觉和运动相关信号，反映它们在行为中的整合。在小鼠的研究中，视频记录结合钙信号测量发现，在决策任务期间，未受指令的运动主导了皮层动力学，面部抽搐和舔舐等运动解释了整个皮层神经元活动的大部分试验间差异。在听觉任务中，小鼠的视觉皮层活动与行为运动（尤其是面部运动）相关，且这些运动能预测视觉皮层和海马体的神经活动。在更简单的生物（如果蝇、斑马鱼和线虫）中，运动信号在自发活动中也很突出。例如，果蝇的自发行走与全脑神经元活动相关，斑马鱼的视顶盖钙成像显示，其活动模式能预测尾巴运动，线虫的自发运动在所有神经元中都有体现。然而，随着物种复杂性的增加，自发活动与运动诱发模式的相似性可能会减弱。在猕猴和人类的研究中，虽然也观察到自发活动与运动相关，但在灵长类动物中，这种关系可能受到更多因素的影响。
- 状态信号和神经递质：自发脑活动还受状态信号（如神经递质参与）的影响，与有意运动不同。在小鼠中，瞳孔大小（反映唤醒水平）可预测钙活动、代谢和血氧水平。神经递质如乙酰胆碱（ACh）和多巴胺调节自发脑活动，ACh 水平会根据行为状态动态变化，多巴胺活动与小鼠在黑暗中探索开放场时的行为模式相关。在果蝇和斑马鱼等生物中，特定的神经调节剂与不同的行为状态相关，这些神经调节剂在调节行为状态转换中起重要作用，与人类大脑网络中神经递质系统和行为状态的组织方式相似。
- 内感受信号：内感受信号对于塑造自发活动模式至关重要，它传达身体内部状态信息以维持体内平衡。主动推理模型认为，包括默认模式网络、突显网络和岛叶在内的皮层网络和区域在自发活动中计算内感受预测。在小鼠实验中，钙成像记录显示岛叶的持续活动模式与特定生理状态（如饥饿与饱腹、口渴与解渴）相关，且岛叶可能具有预测功能。在人类中，7T fMRI 研究发现，下丘脑、海马体、杏仁核、纹状体和脑干核等皮层下区域也参与内感受处理，禁食与饱腹状态会改变后扣带回皮层和楔前叶的自发脑活动。
综上所述，大量研究表明，自发脑活动中存在与行为和状态相关的神经表征，这些表征在大脑功能中起重要作用。从主动推理的角度来看，运动相关信号在认知处理中不可或缺，它们涉及从更高脑区到更低脑区的自上而下信号，基于运动意图塑造感知。自发活动在不同物种中对状态依赖性计算至关重要，其波动反映了学习模式，可能对当前和未来任务有益，这些波动可被视为任务的 “先验”，影响刺激处理和行为表现。
第三个预测：自发活动反映代谢先验以实现能量效率
近期研究提出，自发活动编码 “代谢先验”，为预测处理在代谢上做好准备，优化自然行为的能量利用。在人类中，氟脱氧葡萄糖 PET 测量显示，休息时葡萄糖代谢在功能相互作用的中心区域或枢纽较高，这些区域也是高认知负荷任务激活的区域，表明休息时这些枢纽的高代谢活动可能是对未来使用的预期。
在果蝇的研究中，同时测量有氧和无氧代谢以及神经活动发现，神经和代谢连接性在低频活动（<0.1Hz）下有很强的相似性。在刺激期间，神经活动短暂且与刺激同步，而代谢活动延迟开始并持续较长时间，两者都能预测腿部运动特征。在小鼠中，基因研究表明自发活动与线粒体功能相关，线粒体表型可区分大脑网络，与 fMRI 连接性和行为相关。此外，代谢与记忆和体内平衡密切相关，如大鼠海马体中的记忆和印迹形成依赖于乳酸和葡萄糖的可用性，海马体中的离线尖波涟漪可预测外周葡萄糖水平的下降。
计算研究表明，预测模型可在单个神经元水平上运行，通过优化能量平衡，模拟神经元可发展出预测学习规则。在自发活动中，神经元通过最小化预测和实际活动之间的差异来预测其诱发反应，当预测超出实际时，神经元会增加突触权重，遵循代谢原则，即最小化突触活动（成本），同时通过激活其他神经元最大化对局部血液供应的影响。
代谢先验的概念虽新，但有助于理解自发活动。跨物种的研究揭示了代谢与神经活动的相互作用，以及它们对行为的影响。然而，代谢预期与体内平衡内感受状态的关系仍处于研究初期，需要进一步探索。
结论和未来方向
尽管在神经科学领域对自发脑活动的研究取得了一定进展，但仍缺乏全面的功能理论。早期将自发活动视为噪声的观点已被大量研究反驳，目前的研究提出了多种关于其功能的假设，如静息态活动作为任务动态的支架、与记忆巩固和可塑性相关等，但这些假设都存在一定的局限性，无法完全解释自发活动的所有现象。
本文综合了从果蝇到人类的研究结果，支持休息活动具有预测作用的观点。自发活动和任务诱发模式既有相似之处，也有差异，其表征涵盖从感觉状态到内感受状态，受生物体生态位的影响。休息时的代谢与预测密切相关，基于预测编码和主动推理模型，大脑可能通过进化形成了对环境进行内部假设和预测的能力，自发活动作为一种生成机制，在大脑的进化历史中根深蒂固。
未来的研究方向包括：
- 自发脑模式的维度：关于神经活动的维度存在争议，低维流形动力学和高维活动的观点都有。确定观察神经群体数据的 “最佳” 维度仍需进一步研究。
- 单神经元与网络层面属性的联系：理解自发脑活动需要整合微观（单神经元）和宏观（网络）层面的见解。例如，海马体和皮层区域中 “重放” 事件的机制及其在主动任务和离线巩固阶段的功能意义，仍有待深入探索。
- 计算建模：自发活动在任务和休息期间优化大脑的生成模型，以用于未来。计算模型有助于揭示自发活动在加速皮层处理、优化空间决策、学习环境预测模型、进行概率推理和促进组合性等方面的作用。未来研究应完善和整合这些模型，以全面理解自发活动的预测功能。
- 未来预测的测试：未来需要测试自发活动模式是否编码全局状态（如唤醒）或特定信息状态。此外，虽然已分别观察到自发活动中感觉和运动模式的相互作用，但对于协调行为中它们的关系仍需进一步明确。同时，内感受、代谢和预测之间的关系也需要更多研究。跨物种整合观察性和刺激研究，对于理解自发活动、任务相关重新激活和行为之间的因果关系至关重要，目前啮齿动物研究已有所开展，但在人类中的研究仍需加强。
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