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早上好，我是脑叔，一个爱聊脑的家伙。
回想一下你每天所做的事情，想想你的大脑完成了多少令人惊叹的任务。从刷牙、吃饭，到阅读这页文字，你的思想、情感和行为看起来仿佛是一台精密机器的产物。
仅仅是告诉别人你的名字，对在一团1.3公斤重的“果冻”中飞驰的电信号来说，都是一个小小的奇迹。“你正在完成宇宙中最复杂、最精致的计算行为之一。”圣路易斯华盛顿大学的生物学家Keith Hengen说。
我们如何实现这种复杂性，这个问题已经困扰了哲学家和神经科学家几个世纪，而现在看来，答案似乎并非“精密”。相反，这一切可能都归结于大脑固有的“混乱”。
像Hengen这样的研究人员称这种观点为“临界大脑假说”（critical brain hypothesis）。他们认为，我们的大脑处于秩序与混沌之间的临界点——他们称之为“临界区”（critical zone），或更富诗意地称为“混沌的边缘”（edge of chaos）。我们可以在雪崩和森林火灾中看到类似的临界状态，其中看似微小的事件可能产生巨大的连锁后果。
处于这个临界点的系统受到精确的数学规律支配，现在看来，同样的动力学或许也能解释我们心智的超高效率与灵活性。
大脑电信号活动竟然遵循与自然灾害相同的规律，这听起来可能很荒谬——但除了Hengen之外，许多神经科学家也得出了同样的结论。“临界性为我们理解大脑功能与功能障碍提供了强大的框架。”蒙特利尔大学神经科学家Karim Jerbi说。
这一假说可以预测精神药物的效果，或许还能帮助我们更准确地诊断阿尔茨海默病。它可能有助于我们理解为什么有些人比其他人更聪明，甚至还能解释睡眠的目的——以及意识本身的起源。
最令人兴奋的是，某些冥想技巧可能允许我们主动将大脑推向或拉离这个临界点——从而潜在地提升我们的思维灵活性。
一个普适理论
临界大脑假说可以追溯到丹麦物理学家Per Bak，他在20世纪80年代和90年代首次提出了临界系统的规律。他发现，例如森林火灾的传播就处于临界点附近。如果偏向一个方向，整个生态系统会迅速燃烧殆尽；如果偏向另一个方向，火焰会迅速熄灭，无法蔓延。
Bak指出，森林火灾的规模分布是“无标度”（scale-invariant）的，意味着任何规模的火灾都可能发生，其频率遵循“幂律”（power law），即小火比大火更常见，比例取决于气候和地形等因素。
到了21世纪初，神经科学家开始怀疑大脑的电活动也表现出类似的模式。我们的神经元通过突触连接形成复杂的网络，当某个神经元“放电”时，它可能触发其他神经元也放电。“活动就像雪崩一样自我放大。”Jerbi的博士生Jordan O'Byrne说，他最近发表了一篇论文回顾了支持临界大脑假说的证据。
为了验证这一想法，印第安纳大学的John Beggs和美国国家心理健康研究所的Dietmar Plenz测量了老鼠大脑切片中神经元的自发放电活动。他们发现，平均而言，每个活跃的神经元恰好触发另一个神经元放电——这个数字在数学上正好是大脑的临界点。如果数字更高，雪崩式活动会失控；如果更低，活动就会迅速熄灭。老鼠大脑切片表现出与其他临界系统相同的无标度分布和幂律特征。
大脑的电活动就像雪崩一样
此后，多项研究在其他神经行为中也发现了临界性的迹象，例如不同脑区的同步化现象。这种现象在多种物种中也被观察到，包括斑马鱼、猫、猴子——当然还有人类。
然而，在此过程中也出现了一些矛盾的结果，一些研究未能发现临界性的特征（如幂律分布），Hengen认为，这些争议推动了科学家使用更敏感的神经活动记录技术和更复杂的数学分析。他说，“在我看来，这些持怀疑态度的群体，对研究大脑临界性来说是件大好事。他们迫使这个领域更深入地挖掘。”
Hengen与阿肯色大学的物理学家Woodrow Shew合作，分析了320项现有实验数据，表明如果使用新的临界性统计检验方法，那些看似矛盾的结果实际上可以与假说相吻合。他们的论文于六月发表在神经科学顶级期刊《Neuron》上。
大脑接近临界点的程度可能取决于多种因素，如神经网络连接结构和突触中神经递质平衡。“在临界性周围存在一个健康脑功能的区间。”Shew说。
这使我们能根据情境灵活调整思维。“它让大脑有空间动态调节其临界水平，以应对特定情境或任务。”O'Byrne说。
智能与创造力
健康大脑在清醒状态下似乎始终保持在临界点附近，这表明临界性具有重要优势。首先是信息传输和处理的广度。由于临界系统的无标度特性，信号可以跨越短距离和长距离传递，从而实现不同脑区之间的广泛沟通，带来更强大的计算能力。“大脑可以探索整个解空间。”Hengen说。
处于秩序与混沌之间也有助于大脑适应新情境。“它让大脑既足够稳定以理解世界，又足够动态以最优方式应对世界。”Jerbi说。“我们认为大脑之所以运作于混沌边缘，是因为这是复杂思维、学习、决策和适应新情境的理想区域。”
如果这个假说成立，那么大脑接近临界点的微小差异应该会影响一个人的整体认知功能——这正是密歇根大学的Naoki Masuda及其同事在2020年发现的结果。
研究团队让138名成人接受“流体智力”测试（解决新问题的逻辑推理能力），并与fMRI扫描测得的大脑活动对比。果然，得分较高者的大脑更接近秩序与混沌的边界，正如临界性增强大脑信息处理和计算能力所预期的那样。
赫尔辛基大学的认知科学家Jaana Simola及其同事的一项实验也证实了临界区带来的灵活性增强。参与者需要玩一个规则不断变化的电脑游戏，要求他们随时调整策略。结果显示，大脑越接近临界点，表现越好。
Jerbi怀疑，大脑接近临界点的程度对创造力尤其重要——这是标准智商测试无法衡量的思维形式。“创造力源于大脑探索新奇想法的能力，同时保持足够的结构使其有意义。”他说。“临界性可能为这一过程提供了最优的神经环境，使大脑能在自发、发散性思维和专注、目标导向推理之间流畅切换。”
大幅偏离临界区——无论是偏向秩序还是混乱——都可能导致严重的大脑功能障碍。“虽然临界性赋予大脑优势，但它也意味着微小的变化——由于疾病、压力或损伤——有时会将其推向次优甚至有害的状态，”Jerbi说。
阿尔茨海默病就是一个很好的例子。多项研究表明，受阿尔茨海默病影响的大脑通常在患者开始表现出思维快速衰退之前就已遭受某些严重损害。这可能标志着大脑难以维持在临界区内的时刻，导致其计算能力严重下降。“到了一个点，如果你从网络中移除足够多的节点，你真的会开始看到网络的丰富性急剧下降，”巴黎-萨克雷大学的博士生Vincent Zimmern说
睡眠的意义
大脑临界性的潜在影响已开始吸引越来越多神经科学家的关注。“近年来，大家的兴趣迅速增长。”O'Byrne说。“这个消息正在传播开来。”这也带来了更大胆的设想。
Hengen想知道，睡眠是否可能进化出来是为了将大脑带回临界点。他对老鼠的研究已经提供了有力证据表明疲劳与大脑临界性密切相关。“预测动物下一小时是清醒还是睡眠的最强指标，是它接近临界点的程度。”他说。“你越接近临界点，越可能清醒；而你越远离临界点，越可能睡眠。”
似乎我们工作越久，大脑越远离临界点，而睡眠则帮助大脑重新调回临界区。如果没有这段休息时间，大脑就无法达到最佳状态，导致失眠伴随的认知能力下降。睡眠的长度和质量甚至会影响呼吸控制等自动过程，Hengen说。这些广泛影响表明，睡眠进化是为了解决一个基本因素——即大脑接近临界点的程度。
O'Byrne也持相同观点。“睡眠的一个功能——也许是其最重要的功能——可能是让大脑连接重新校准，使全脑动力学回到临界点。”
咖啡因等化学兴奋剂可能通过推动大脑接近临界点来减轻疲劳，但这要付出代价。Jerbi的蒙特利尔大学同事Philipp Thölke邀请参与者在实验室睡两晚：一晚睡前3小时和1小时分别服用100毫克咖啡因（相当于一杯浓咖啡），另一晚不服用。研究人员让参与者戴上脑电图（EEG）头帽，测量睡眠中的脑电活动。
团队发现，咖啡因在睡眠中持续将大脑推向临界点。“它让大脑处于半清醒状态。”Jerbi说。结果可能不仅仅是一个不眠之夜；通过减少“下线”时间，咖啡因可能阻止大脑在早晨恢复到最佳状态。“它可能干扰睡眠的恢复功能。”
意识的奥秘
大脑临界性甚至可能帮助我们解开意识这个长期存在的谜题。意识是一个难以精确定义的概念，但大多数神经科学家和哲学家都认同，意识最基本地涉及一种“主观视角”——无论是现实生活还是梦境——包括具有鲜明特征（如颜色和形状）的感知或心理图像。
根据一个主流假说——整合信息理论（integrated information theory），这种主观视角源于大脑处理和整合数据的方式，使得整合后的信息总量大于各部分之和。有趣的是，数学模型表明，当大脑接近临界点时，整合信息量的测量达到峰值，这意味着临界性对我们感知思想、情感和自我的意识至关重要。
一种验证这一理论的方法是研究不同麻醉剂的效果。例如，氙气和丙泊酚似乎完全消除了意识体验；而氯胺酮则产生一种分离状态，使患者与外界隔绝，但并未完全消除意识。他们仍然可以体验到充满强烈感觉和自我意识的生动梦境。
O'Byrne及其同事去年发表的一篇论文发现，氯胺酮麻醉下的大脑仍然接近临界区，而氙气或丙泊酚麻醉下的大脑则远离临界点。“这似乎表明，大脑临界性是意识的必要条件，尽管我们还需要更多研究才能更有信心这么说，”他总结道。
调节大脑
鉴于临界性在我们的思维中扮演的重要角色，我们自然会想知道，是否有可能学会主动调节大脑在临界区中的位置。例如，睡前将大脑推离临界点，或在需要处理复杂信息或头脑风暴时将其拉近临界点，岂不是很有用？
Hengen目前正在研究这个问题。“我们正在做一些很酷的研究，看看能否通过影响大脑接近临界性的方式来促进复杂学习。”他不愿透露细节，不过表示这涉及设计睡眠模式——动物实验已经显示出令人印象深刻的结果。
另一个选择是冥想，但我们必须注意冥想的具体类型。例如，专注呼吸的“止禅”（Samatha meditation）会使大脑远离临界点。“这很合理，因为临界性是最大敏感性和灵活性的状态，但在专注冥想中，你试图排除干扰，‘固化’思维以突出某些重要细节。”O'Byrne说。
而“内观”（Vipassana，或称开放监控冥想）则鼓励对所有通过大脑的想法、情感和感觉进行非评判性的觉察。“在这里，我们预期临界性会增加，以最大程度地敏感于环境。”O'Byrne说。
意大利国家研究委员会的Annalisa Pascarella的一项新研究为这一观点提供了初步证据。参与者是来自罗马附近Santacittārāma寺院的12名佛教僧侣。Pascarella让僧侣分别进行6分钟的止禅和内观冥想，同时用磁脑图（MEG）头帽测量他们的脑电活动——一种类似EEG但可覆盖整个皮层的记录技术。
正如预期，研究发现专注冥想（止禅）使大脑远离临界点，而开放冥想（内观）则使大脑更接近临界点。“他们甚至能让大脑比正常清醒休息时更临界。”O'Byrne说，他是该研究的合著者。这项研究目前以预印本形式发布，正在等待同行评审。结果表明，经过足够练习，我们似乎可以随心所欲地调整大脑活动，从而实现最适合当前任务的心理状态。
值得一提的是，每位僧侣都已积累超过2000小时的冥想经验，但新技术最终可能简化这一过程。Jerbi（也是该冥想研究的合著者）指出了一种称为“神经反馈”（neurofeedback）的技术——通过便携式EEG向用户实时呈现大脑活动的视觉反馈，从而加速某些冥想技巧的训练。
与此同时，我们或许可以学会更欣赏自己略显混乱的大脑。那些轻微走神或思绪飘忽的时刻，可能仅仅表明我们正舒适地处于临界区，享受着它带来的所有好处。
原文作者：David Robson
原文参考：https://www.newscientist.com/article/2493651-the-crucial-role-of-chaos-in-our-brains-most-extraordinary-functions/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627325003915
声明：本文版权属于原作者，仅用于学术交流
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