別追求絕對專注了！科學(xué)發(fā)現(xiàn)：大腦最佳狀態(tài)，竟是“混沌”

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早上好，我是腦叔，一個愛聊腦的家伙。

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精密機器的產(chǎn)物。

僅僅是告訴別人你的名字，對在一團(tuán)1.3公斤重的“果凍”中飛馳的電信號來說，都是一個小小的奇跡。“你正在完成宇宙中最復(fù)雜、最精致的計算行為之一。”圣路易斯華盛頓大學(xué)的生物學(xué)家Keith Hengen說。

我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)這種復(fù)雜性，這個問題已經(jīng)困擾了哲學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家?guī)讉€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——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。

處于這個臨界點的系統(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。

大腦電信號活動竟然遵循與自然災(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大的框架。”蒙特利爾大學(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將大腦推向或拉離這個臨界點——從而潛在地提升我們的思維靈活性。

一個普適理論

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附近。如果偏向一個方向，整個生態(tài)系統(tǒng)會迅速燃燒殆盡；如果偏向另一個方向，火焰會迅速熄滅，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)某個神經(jīng)元“放電”時，它可能觸發(fā)其他神經(jīng)元也放電。“活動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。他們發(fā)現(xiàn)，平均而言，每個活躍的神經(jīng)元恰好觸發(fā)另一個神經(jīng)元放電——這個數(shù)字在數(shù)學(xué)上正好是大腦的臨界點。如果數(shù)字更高，雪崩式活動會失控；如果更低，活動就會迅速熄滅。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。

大腦的電活動就像雪崩一樣

此后，多項研究在其他神經(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，這些爭議推動了科學(xué)家使用更敏感的神經(jīng)活動記錄技術(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，對研究大腦臨界性來說是件大好事。他們迫使這個領(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項現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)，表明如果使用新的臨界性統(tǒng)計檢驗方法，那些看似矛盾的結(jié)果實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)頂級期刊《Neuron》上。

大腦接近臨界點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。“它讓大腦有空間動態(tài)調(diào)節(jié)其臨界水平，以應(yīng)對特定情境或任務(wù)。”O(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，信號可以跨越短距離和長距離傳遞，從而實現(xiàn)不同腦區(qū)之間的廣泛溝通，帶來更強大的計算能力。“大腦可以探索整個解空間。”Hengen說。

處于秩序與混沌之間也有助于大腦適應(yīng)新情境。“它讓大腦既足夠穩(wěn)定以理解世界，又足夠動態(tài)以最優(yōu)方式應(yīng)對世界。”Jerbi說。“我們認(rèn)為大腦之所以運作于混沌邊緣，是因為這是復(fù)雜思維、學(xué)習(xí)、決策和適應(yīng)新情境的理想?yún)^(qū)域。”

如果這個假說成立，那么大腦接近臨界點的微小差異應(yīng)該會影響一個人的整體認(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對比。果然，得分較高者的大腦更接近秩序與混沌的邊界，正如臨界性增強大腦信息處理和計算能力所預(yù)期的那樣。

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

Jerbi懷疑，大腦接近臨界點的程度對創(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。“創(chuàng)造力源于大腦探索新奇想法的能力，同時保持足夠的結(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。“雖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——有時會將其推向次優(yōu)甚至有害的狀態(tài)，”Jerbi說。

阿爾茨海默病就是一個很好的例子。多項研究表明，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)的時刻，導(dǎo)致其計算能力嚴(yán)重下降。“到了一個點，如果你從網(wǎng)絡(luò)中移除足夠多的節(jié)點，你真的會開始看到網(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。“近年來，大家的興趣迅速增長。”O(jiān)'Byrne說。“這個消息正在傳播開來。”這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。他對老鼠的研究已經(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)測動物下一小時是清醒還是睡眠的最強指標(biāo)，是它接近臨界點的程度。”他說。“你越接近臨界點，越可能清醒；而你越遠(yuǎn)離臨界點，越可能睡眠。”

似乎我們工作越久，大腦越遠(yuǎn)離臨界點，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刂频茸詣舆^程，Hengen說。這些廣泛影響表明，睡眠進(jìn)化是為了解決一個基本因素——即大腦接近臨界點的程度。

O'Byrne也持相同觀點。“睡眠的一個功能——也許是其最重要的功能——可能是讓大腦連接重新校準(zhǔn)，使全腦動力學(xué)回到臨界點。”

咖啡因等化學(xué)興奮劑可能通過推動大腦接近臨界點來減輕疲勞，但這要付出代價。Jerbi的蒙特利爾大學(xué)同事Philipp Th?lke邀請參與者在實驗室睡兩晚：一晚睡前3小時和1小時分別服用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。

團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，咖啡因在睡眠中持續(xù)將大腦推向臨界點。“它讓大腦處于半清醒狀態(tài)。”Jerbi說。結(jié)果可能不僅僅是一個不眠之夜；通過減少“下線”時間，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。”

意識的奧秘

大腦臨界性甚至可能幫助我們解開意識這個長期存在的謎題。意識是一個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，意識最基本地涉及一種“主觀視角”——無論是現(xiàn)實生活還是夢境——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)大腦接近臨界點時，整合信息量的測量達(dá)到峰值，這意味著臨界性對我們感知思想、情感和自我的意識至關(guān)重要。

一種驗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體驗；而氯胺酮則產(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。他們?nèi)匀豢梢泽w驗到充滿強烈感覺和自我意識的生動夢境。

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。“這似乎表明，大腦臨界性是意識的必要條件，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，我們自然會想知道，是否有可能學(xué)會主動調(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，或在需要處理復(fù)雜信息或頭腦風(fēng)暴時將其拉近臨界點，豈不是很有用？

Hengen目前正在研究這個問題。“我們正在做一些很酷的研究，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)計睡眠模式——動物實驗已經(jīng)顯示出令人印象深刻的結(jié)果。

另一個選擇是冥想，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）會使大腦遠(yuǎn)離臨界點。“這很合理，因為臨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)。”O(jiān)'Byrne說。

而“內(nèi)觀”（Vipassana，或稱開放監(jiān)控冥想）則鼓勵對所有通過大腦的想法、情感和感覺進(jìn)行非評判性的覺察。“在這里，我們預(yù)期臨界性會增加，以最大程度地敏感于環(huán)境。”O(jiān)'Byrne說。

意大利國家研究委員會的Annalisa Pascarella的一項新研究為這一觀點提供了初步證據(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，同時用磁腦圖（MEG）頭帽測量他們的腦電活動——一種類似EEG但可覆蓋整個皮層的記錄技術(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，而開放冥想（內(nèi)觀）則使大腦更接近臨界點。“他們甚至能讓大腦比正常清醒休息時更臨界。”O(jiān)'Byrne說，他是該研究的合著者。這項研究目前以預(yù)印本形式發(fā)布，正在等待同行評審。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，從而實現(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小時的冥想經(jīng)驗，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向用戶實時呈現(xiàn)大腦活動的視覺反饋，從而加速某些冥想技巧的訓(xùn)練。

與此同時，我們或許可以學(xué)會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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