關(guān)注視頻號(hào)：丘腦大叔

早上好，我是腦叔，一個(gè)愛聊腦的家伙。

回想一下你每天所做的事情，想想你的大腦完成了多少令人驚嘆的任務(wù)。從刷牙、吃飯，到閱讀這頁文字，你的思想、情感和行為看起來仿佛是一臺(tái)精密機(jī)器的產(chǎn)物。

僅僅是告訴別人你的名字，對(duì)在一團(tuán)1.3公斤重的“果凍”中飛馳的電信號(hào)來說，都是一個(gè)小小的奇跡?！澳阏谕瓿捎钪嬷凶顝?fù)雜、最精致的計(jì)算行為之一?！笔ヂ芬姿谷A盛頓大學(xué)的生物學(xué)家Keith Hengen說。

我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)這種復(fù)雜性，這個(gè)問題已經(jīng)困擾了哲學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家?guī)讉€(gè)世紀(jì)，而現(xiàn)在看來，答案似乎并非“精密”。相反，這一切可能都?xì)w結(jié)于大腦固有的“混亂”。

像Hengen這樣的研究人員稱這種觀點(diǎn)為“臨界大腦假說”（critical brain hypothesis）。他們認(rèn)為，我們的大腦處于秩序與混沌之間的臨界點(diǎn)——他們稱之為“臨界區(qū)”（critical zone），或更富詩意地稱為“混沌的邊緣”（edge of chaos）。我們可以在雪崩和森林火災(zāi)中看到類似的臨界狀態(tài)，其中看似微小的事件可能產(chǎn)生巨大的連鎖后果。

處于這個(gè)臨界點(diǎn)的系統(tǒng)受到精確的數(shù)學(xué)規(guī)律支配，現(xiàn)在看來，同樣的動(dòng)力學(xué)或許也能解釋我們心智的超高效率與靈活性。

大腦電信號(hào)活動(dòng)竟然遵循與自然災(zāi)害相同的規(guī)律，這聽起來可能很荒謬——但除了Hengen之外，許多神經(jīng)科學(xué)家也得出了同樣的結(jié)論。“臨界性為我們理解大腦功能與功能障礙提供了強(qiáng)大的框架?！泵商乩麪柎髮W(xué)神經(jīng)科學(xué)家Karim Jerbi說。

這一假說可以預(yù)測精神藥物的效果，或許還能幫助我們更準(zhǔn)確地診斷阿爾茨海默病。它可能有助于我們理解為什么有些人比其他人更聰明，甚至還能解釋睡眠的目的——以及意識(shí)本身的起源。

最令人興奮的是，某些冥想技巧可能允許我們主動(dòng)將大腦推向或拉離這個(gè)臨界點(diǎn)——從而潛在地提升我們的思維靈活性。

一個(gè)普適理論

臨界大腦假說可以追溯到丹麥物理學(xué)家Per Bak，他在20世紀(jì)80年代和90年代首次提出了臨界系統(tǒng)的規(guī)律。他發(fā)現(xiàn)，例如森林火災(zāi)的傳播就處于臨界點(diǎn)附近。如果偏向一個(gè)方向，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)會(huì)迅速燃燒殆盡；如果偏向另一個(gè)方向，火焰會(huì)迅速熄滅，無法蔓延。

Bak指出，森林火災(zāi)的規(guī)模分布是“無標(biāo)度”（scale-invariant）的，意味著任何規(guī)模的火災(zāi)都可能發(fā)生，其頻率遵循“冪律”（power law），即小火比大火更常見，比例取決于氣候和地形等因素。

到了21世紀(jì)初，神經(jīng)科學(xué)家開始懷疑大腦的電活動(dòng)也表現(xiàn)出類似的模式。我們的神經(jīng)元通過突觸連接形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某個(gè)神經(jīng)元“放電”時(shí)，它可能觸發(fā)其他神經(jīng)元也放電?！盎顒?dòng)就像雪崩一樣自我放大。”Jerbi的博士生Jordan O'Byrne說，他最近發(fā)表了一篇論文回顧了支持臨界大腦假說的證據(jù)。

為了驗(yàn)證這一想法，印第安納大學(xué)的John Beggs和美國國家心理健康研究所的Dietmar Plenz測量了老鼠大腦切片中神經(jīng)元的自發(fā)放電活動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)，平均而言，每個(gè)活躍的神經(jīng)元恰好觸發(fā)另一個(gè)神經(jīng)元放電——這個(gè)數(shù)字在數(shù)學(xué)上正好是大腦的臨界點(diǎn)。如果數(shù)字更高，雪崩式活動(dòng)會(huì)失控；如果更低，活動(dòng)就會(huì)迅速熄滅。老鼠大腦切片表現(xiàn)出與其他臨界系統(tǒng)相同的無標(biāo)度分布和冪律特征。

大腦的電活動(dòng)就像雪崩一樣

此后，多項(xiàng)研究在其他神經(jīng)行為中也發(fā)現(xiàn)了臨界性的跡象，例如不同腦區(qū)的同步化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在多種物種中也被觀察到，包括斑馬魚、貓、猴子——當(dāng)然還有人類。

然而，在此過程中也出現(xiàn)了一些矛盾的結(jié)果，一些研究未能發(fā)現(xiàn)臨界性的特征（如冪律分布），Hengen認(rèn)為，這些爭議推動(dòng)了科學(xué)家使用更敏感的神經(jīng)活動(dòng)記錄技術(shù)和更復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析。他說，“在我看來，這些持懷疑態(tài)度的群體，對(duì)研究大腦臨界性來說是件大好事。他們迫使這個(gè)領(lǐng)域更深入地挖掘。”

Hengen與阿肯色大學(xué)的物理學(xué)家Woodrow Shew合作，分析了320項(xiàng)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明如果使用新的臨界性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，那些看似矛盾的結(jié)果實(shí)際上可以與假說相吻合。他們的論文于六月發(fā)表在神經(jīng)科學(xué)頂級(jí)期刊《Neuron》上。

大腦接近臨界點(diǎn)的程度可能取決于多種因素，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)和突觸中神經(jīng)遞質(zhì)平衡。“在臨界性周圍存在一個(gè)健康腦功能的區(qū)間。”Shew說。

這使我們能根據(jù)情境靈活調(diào)整思維。“它讓大腦有空間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其臨界水平，以應(yīng)對(duì)特定情境或任務(wù)?！監(jiān)'Byrne說。

智能與創(chuàng)造力

健康大腦在清醒狀態(tài)下似乎始終保持在臨界點(diǎn)附近，這表明臨界性具有重要優(yōu)勢。首先是信息傳輸和處理的廣度。由于臨界系統(tǒng)的無標(biāo)度特性，信號(hào)可以跨越短距離和長距離傳遞，從而實(shí)現(xiàn)不同腦區(qū)之間的廣泛溝通，帶來更強(qiáng)大的計(jì)算能力。“大腦可以探索整個(gè)解空間。”Hengen說。

處于秩序與混沌之間也有助于大腦適應(yīng)新情境?！八尨竽X既足夠穩(wěn)定以理解世界，又足夠動(dòng)態(tài)以最優(yōu)方式應(yīng)對(duì)世界?！盝erbi說?！拔覀冋J(rèn)為大腦之所以運(yùn)作于混沌邊緣，是因?yàn)檫@是復(fù)雜思維、學(xué)習(xí)、決策和適應(yīng)新情境的理想?yún)^(qū)域?！?/p>

如果這個(gè)假說成立，那么大腦接近臨界點(diǎn)的微小差異應(yīng)該會(huì)影響一個(gè)人的整體認(rèn)知功能——這正是密歇根大學(xué)的Naoki Masuda及其同事在2020年發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。

研究團(tuán)隊(duì)讓138名成人接受“流體智力”測試（解決新問題的邏輯推理能力），并與fMRI掃描測得的大腦活動(dòng)對(duì)比。果然，得分較高者的大腦更接近秩序與混沌的邊界，正如臨界性增強(qiáng)大腦信息處理和計(jì)算能力所預(yù)期的那樣。

赫爾辛基大學(xué)的認(rèn)知科學(xué)家Jaana Simola及其同事的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了臨界區(qū)帶來的靈活性增強(qiáng)。參與者需要玩一個(gè)規(guī)則不斷變化的電腦游戲，要求他們隨時(shí)調(diào)整策略。結(jié)果顯示，大腦越接近臨界點(diǎn)，表現(xiàn)越好。

Jerbi懷疑，大腦接近臨界點(diǎn)的程度對(duì)創(chuàng)造力尤其重要——這是標(biāo)準(zhǔn)智商測試無法衡量的思維形式?！皠?chuàng)造力源于大腦探索新奇想法的能力，同時(shí)保持足夠的結(jié)構(gòu)使其有意義。”他說。“臨界性可能為這一過程提供了最優(yōu)的神經(jīng)環(huán)境，使大腦能在自發(fā)、發(fā)散性思維和專注、目標(biāo)導(dǎo)向推理之間流暢切換。”

大幅偏離臨界區(qū)——無論是偏向秩序還是混亂——都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的大腦功能障礙?！半m然臨界性賦予大腦優(yōu)勢，但它也意味著微小的變化——由于疾病、壓力或損傷——有時(shí)會(huì)將其推向次優(yōu)甚至有害的狀態(tài)，”Jerbi說。

阿爾茨海默病就是一個(gè)很好的例子。多項(xiàng)研究表明，受阿爾茨海默病影響的大腦通常在患者開始表現(xiàn)出思維快速衰退之前就已遭受某些嚴(yán)重?fù)p害。這可能標(biāo)志著大腦難以維持在臨界區(qū)內(nèi)的時(shí)刻，導(dǎo)致其計(jì)算能力嚴(yán)重下降?！暗搅艘粋€(gè)點(diǎn)，如果你從網(wǎng)絡(luò)中移除足夠多的節(jié)點(diǎn)，你真的會(huì)開始看到網(wǎng)絡(luò)的豐富性急劇下降，”巴黎-薩克雷大學(xué)的博士生Vincent Zimmern說

睡眠的意義

大腦臨界性的潛在影響已開始吸引越來越多神經(jīng)科學(xué)家的關(guān)注?！敖陙?，大家的興趣迅速增長?！監(jiān)'Byrne說?！斑@個(gè)消息正在傳播開來?！边@也帶來了更大膽的設(shè)想。

Hengen想知道，睡眠是否可能進(jìn)化出來是為了將大腦帶回臨界點(diǎn)。他對(duì)老鼠的研究已經(jīng)提供了有力證據(jù)表明疲勞與大腦臨界性密切相關(guān)。“預(yù)測動(dòng)物下一小時(shí)是清醒還是睡眠的最強(qiáng)指標(biāo)，是它接近臨界點(diǎn)的程度?！彼f。“你越接近臨界點(diǎn)，越可能清醒；而你越遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)，越可能睡眠?！?/p>

似乎我們工作越久，大腦越遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)，而睡眠則幫助大腦重新調(diào)回臨界區(qū)。如果沒有這段休息時(shí)間，大腦就無法達(dá)到最佳狀態(tài)，導(dǎo)致失眠伴隨的認(rèn)知能力下降。睡眠的長度和質(zhì)量甚至?xí)绊懞粑刂频茸詣?dòng)過程，Hengen說。這些廣泛影響表明，睡眠進(jìn)化是為了解決一個(gè)基本因素——即大腦接近臨界點(diǎn)的程度。

O'Byrne也持相同觀點(diǎn)?！八叩囊粋€(gè)功能——也許是其最重要的功能——可能是讓大腦連接重新校準(zhǔn)，使全腦動(dòng)力學(xué)回到臨界點(diǎn)?！?/p>

咖啡因等化學(xué)興奮劑可能通過推動(dòng)大腦接近臨界點(diǎn)來減輕疲勞，但這要付出代價(jià)。Jerbi的蒙特利爾大學(xué)同事Philipp Th?lke邀請(qǐng)參與者在實(shí)驗(yàn)室睡兩晚：一晚睡前3小時(shí)和1小時(shí)分別服用100毫克咖啡因（相當(dāng)于一杯濃咖啡），另一晚不服用。研究人員讓參與者戴上腦電圖（EEG）頭帽，測量睡眠中的腦電活動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，咖啡因在睡眠中持續(xù)將大腦推向臨界點(diǎn)?！八尨竽X處于半清醒狀態(tài)?！盝erbi說。結(jié)果可能不僅僅是一個(gè)不眠之夜；通過減少“下線”時(shí)間，咖啡因可能阻止大腦在早晨恢復(fù)到最佳狀態(tài)。“它可能干擾睡眠的恢復(fù)功能?！?/p>

意識(shí)的奧秘

大腦臨界性甚至可能幫助我們解開意識(shí)這個(gè)長期存在的謎題。意識(shí)是一個(gè)難以精確定義的概念，但大多數(shù)神經(jīng)科學(xué)家和哲學(xué)家都認(rèn)同，意識(shí)最基本地涉及一種“主觀視角”——無論是現(xiàn)實(shí)生活還是夢(mèng)境——包括具有鮮明特征（如顏色和形狀）的感知或心理圖像。

根據(jù)一個(gè)主流假說——整合信息理論（integrated information theory），這種主觀視角源于大腦處理和整合數(shù)據(jù)的方式，使得整合后的信息總量大于各部分之和。有趣的是，數(shù)學(xué)模型表明，當(dāng)大腦接近臨界點(diǎn)時(shí)，整合信息量的測量達(dá)到峰值，這意味著臨界性對(duì)我們感知思想、情感和自我的意識(shí)至關(guān)重要。

一種驗(yàn)證這一理論的方法是研究不同麻醉劑的效果。例如，氙氣和丙泊酚似乎完全消除了意識(shí)體驗(yàn)；而氯胺酮?jiǎng)t產(chǎn)生一種分離狀態(tài)，使患者與外界隔絕，但并未完全消除意識(shí)。他們?nèi)匀豢梢泽w驗(yàn)到充滿強(qiáng)烈感覺和自我意識(shí)的生動(dòng)夢(mèng)境。

O'Byrne及其同事去年發(fā)表的一篇論文發(fā)現(xiàn)，氯胺酮麻醉下的大腦仍然接近臨界區(qū)，而氙氣或丙泊酚麻醉下的大腦則遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)?！斑@似乎表明，大腦臨界性是意識(shí)的必要條件，盡管我們還需要更多研究才能更有信心這么說，”他總結(jié)道。

調(diào)節(jié)大腦

鑒于臨界性在我們的思維中扮演的重要角色，我們自然會(huì)想知道，是否有可能學(xué)會(huì)主動(dòng)調(diào)節(jié)大腦在臨界區(qū)中的位置。例如，睡前將大腦推離臨界點(diǎn)，或在需要處理復(fù)雜信息或頭腦風(fēng)暴時(shí)將其拉近臨界點(diǎn)，豈不是很有用？

Hengen目前正在研究這個(gè)問題?！拔覀冋谧鲆恍┖芸岬难芯?，看看能否通過影響大腦接近臨界性的方式來促進(jìn)復(fù)雜學(xué)習(xí)。”他不愿透露細(xì)節(jié)，不過表示這涉及設(shè)計(jì)睡眠模式——?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)已經(jīng)顯示出令人印象深刻的結(jié)果。

另一個(gè)選擇是冥想，但我們必須注意冥想的具體類型。例如，專注呼吸的“止禪”（Samatha meditation）會(huì)使大腦遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)?！斑@很合理，因?yàn)榕R界性是最大敏感性和靈活性的狀態(tài)，但在專注冥想中，你試圖排除干擾，‘固化’思維以突出某些重要細(xì)節(jié)?！監(jiān)'Byrne說。

而“內(nèi)觀”（Vipassana，或稱開放監(jiān)控冥想）則鼓勵(lì)對(duì)所有通過大腦的想法、情感和感覺進(jìn)行非評(píng)判性的覺察?！霸谶@里，我們預(yù)期臨界性會(huì)增加，以最大程度地敏感于環(huán)境?！監(jiān)'Byrne說。

意大利國家研究委員會(huì)的Annalisa Pascarella的一項(xiàng)新研究為這一觀點(diǎn)提供了初步證據(jù)。參與者是來自羅馬附近Santacittārāma寺院的12名佛教僧侶。Pascarella讓僧侶分別進(jìn)行6分鐘的止禪和內(nèi)觀冥想，同時(shí)用磁腦圖（MEG）頭帽測量他們的腦電活動(dòng)——一種類似EEG但可覆蓋整個(gè)皮層的記錄技術(shù)。

正如預(yù)期，研究發(fā)現(xiàn)專注冥想（止禪）使大腦遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)，而開放冥想（內(nèi)觀）則使大腦更接近臨界點(diǎn)。“他們甚至能讓大腦比正常清醒休息時(shí)更臨界?！監(jiān)'Byrne說，他是該研究的合著者。這項(xiàng)研究目前以預(yù)印本形式發(fā)布，正在等待同行評(píng)審。結(jié)果表明，經(jīng)過足夠練習(xí)，我們似乎可以隨心所欲地調(diào)整大腦活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)最適合當(dāng)前任務(wù)的心理狀態(tài)。

值得一提的是，每位僧侶都已積累超過2000小時(shí)的冥想經(jīng)驗(yàn)，但新技術(shù)最終可能簡化這一過程。Jerbi（也是該冥想研究的合著者）指出了一種稱為“神經(jīng)反饋”（neurofeedback）的技術(shù)——通過便攜式EEG向用戶實(shí)時(shí)呈現(xiàn)大腦活動(dòng)的視覺反饋，從而加速某些冥想技巧的訓(xùn)練。

與此同時(shí)，我們或許可以學(xué)會(huì)更欣賞自己略顯混亂的大腦。那些輕微走神或思緒飄忽的時(shí)刻，可能僅僅表明我們正舒適地處于臨界區(qū)，享受著它帶來的所有好處。

原文作者：David Robson

原文參考：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

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腦叔創(chuàng)建了一個(gè)名為“丘腦大叔·大腦管家”的知識(shí)星球。我把它定位為一本持續(xù)更新的大腦進(jìn)化訓(xùn)練指南，專注于分享認(rèn)知行為與健康知識(shí)，陪伴腦友解決認(rèn)知與情緒問題，提升大腦能力、推動(dòng)自我進(jìn)化，助你收獲更幸福的人生。