 自組織臨界性的經(jīng)典模型：Bak-Tang-Wiesenfeld 沙堆，由2800萬粒組成 導(dǎo)語關(guān)于大腦是否處于自組織臨界狀態(tài)，以及大腦如何涌現(xiàn)出思維與意識(shí)，學(xué)界有持續(xù)多年的討論。在今年發(fā)表在 Physical Review Letters 的一項(xiàng)工作中，來自巴西的物理學(xué)家通過分析多種動(dòng)物的大腦，找到了大腦處于臨界狀態(tài)的新證據(jù)。 來自巴西的物理學(xué)家通過分析小鼠和其他動(dòng)物的大腦，發(fā)現(xiàn)大腦在兩種操作模式之間保持平衡狀態(tài)，運(yùn)作在一種多變也多能的臨界狀態(tài)。這個(gè)研究結(jié)果對(duì)傳統(tǒng)的臨界大腦假說提出了挑戰(zhàn)。
 印第安納大學(xué) John Beggs 實(shí)驗(yàn)室的一盤大鼠腦皮層切片。 了解大腦的巨大神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)如何處理信息，對(duì)神經(jīng)科學(xué)家來說一直很有吸引力。但這同樣是個(gè)難題，其中部分工作，就是理解大腦如何用同一個(gè)物理結(jié)構(gòu)，處理生活中無數(shù)的需求與信息?！?strong>如果大腦處于無序狀態(tài)，那么它就很難處理信息，如果大腦太井井有條，那么就很難適應(yīng)環(huán)境的變化。”來自巴西伯南布哥聯(lián)邦大學(xué)的物理學(xué)家 Mauro Copelli 如是說。 在 20 世紀(jì) 90 年代，物理學(xué)家 Per Bak 假設(shè)大腦的才能來自臨界性，這個(gè)概念起源于統(tǒng)計(jì)力學(xué)，說的是在穩(wěn)定性和混亂之間徘徊的復(fù)雜系統(tǒng)。想想冬天的雪坡，初冬時(shí)節(jié)不太可能發(fā)生雪崩，但至于風(fēng)積累一個(gè)冬天，再發(fā)生雪崩的機(jī)會(huì)就比較大了。在這個(gè)變化過程中，可能存在這樣一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，某處有特定的積雪，這個(gè)積雪處于一個(gè)臨界狀態(tài)。可能下一次的外力干擾就會(huì)引發(fā)雪崩或其他事情。 不同規(guī)模的雪崩發(fā)生的可能性是不同的，規(guī)模較小的雪崩比規(guī)模大的雪崩更頻繁地發(fā)生。在物理學(xué)家稱之為臨界點(diǎn)（critical point）的模型中，事件的大小和發(fā)生頻率之間具有簡(jiǎn)單的指數(shù)關(guān)系。Bak 認(rèn)為大腦就調(diào)整到這樣一個(gè)最佳位置，會(huì)使大腦成為強(qiáng)力而靈活的信息處理器。 多年來，這一觀點(diǎn)幾經(jīng)起伏。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)來自于 2003 年的大鼠腦切片。印第安納大學(xué)的生物物理學(xué)家 John Beggs 發(fā)現(xiàn)，引發(fā)神經(jīng)元的連鎖反應(yīng)（也叫神經(jīng)元雪崩），具備一系列的臨界點(diǎn)，由此引發(fā)了大量的后續(xù)研究。然而，批評(píng)者覺得這一結(jié)論下得為時(shí)尚早，同樣的規(guī)律可能出現(xiàn)在服從冪律法則的隨機(jī)系統(tǒng)中，比如猴子打字機(jī)模型。 這一觀點(diǎn)的擁護(hù)者主要面臨兩個(gè)問題：定義冪律的臨界指數(shù)因設(shè)置而異，這意味著與大腦響應(yīng)的通用機(jī)制背道而馳。此外，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同步神經(jīng)元有著更強(qiáng)的臨界性，可是這種神經(jīng)活動(dòng)并沒有分布在清醒動(dòng)物的大腦中，而是常常發(fā)生于深度睡眠期間，這讓科學(xué)家很困惑，他們沒預(yù)料到臨界性和同步性之間的關(guān)聯(lián)。 為了研究這個(gè)問題，Copelli 和他的合作者使用一種特殊的麻醉劑給大鼠麻醉，這種麻醉劑讓大腦在同步的極端情況下擺動(dòng)，有時(shí)以典型的睡眠同步方式放電，其他時(shí)間類似于清醒大腦的隨機(jī)靜態(tài)放電，然后用幾十個(gè)金屬探針記錄下初級(jí)視覺皮層中神經(jīng)活動(dòng)的增強(qiáng)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元雪崩的大小和持續(xù)時(shí)間以及大小和持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系都符合具有不同臨界指數(shù)的冪律分布?！@一發(fā)現(xiàn)與 2003 年 Begg 在死亡的大鼠腦切片中的發(fā)現(xiàn)一樣。  巴西，伯南布哥大學(xué)的監(jiān)視器實(shí)時(shí)顯示著大鼠腦內(nèi)的電生理記錄。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)神經(jīng)元以中等同步性放電時(shí)，這三個(gè)指數(shù)能以一個(gè)簡(jiǎn)單的等式組合在一起。這種指數(shù)間的關(guān)系就滿足了批評(píng)者們?cè)?2017 年提出的更嚴(yán)格的臨界性測(cè)試。麻醉大鼠的大腦多數(shù)時(shí)間在這個(gè)狀態(tài)附近徘徊。 “這就像一桿冒著煙的槍，你再也不能回避它了?！蔽磪⑴c這項(xiàng)研究的Beggs 說?！昂茈y說這是隨機(jī)的。”  論文圖1：尖峰雪崩的大小和壽命的分布 然而，當(dāng)研究小組詳細(xì)研究臨界點(diǎn)在哪兒時(shí)，正如臨界大腦假說所預(yù)測(cè)的那樣，他們發(fā)現(xiàn)大鼠的大腦在低神經(jīng)活動(dòng)和高神經(jīng)活動(dòng)的階段之間沒有平衡；相反，臨界點(diǎn)把神經(jīng)元的相干放電階段和大量神經(jīng)元非相干放電階段分開。這可以解釋過去臨界性的研究要么有要么沒有的境地。Copelli 的同事兼該研究的合作者 Pedro Carelli 在5月底出版的物理評(píng)論快報(bào)中說：“事實(shí)上我們整合早期研究數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，該結(jié)論確實(shí)指向了更通用的規(guī)律?！?/p> 但是被麻醉的大腦并不是自然狀態(tài)。因此科學(xué)家對(duì)自由狀態(tài)的小鼠自然狀態(tài)下的神經(jīng)活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新的分析。他們?cè)俅伟l(fā)現(xiàn)，這些神經(jīng)活動(dòng)有時(shí)候會(huì)符合 2017 年所發(fā)現(xiàn)的黃金規(guī)律。然而與麻醉的大鼠不同，小鼠大腦中的神經(jīng)元大部分時(shí)間都是異步發(fā)射，遠(yuǎn)離所謂的同步臨界點(diǎn)。  論文圖2：在不同的尖峰變異性水平上，尖峰雪崩的大小與壽命之間的冪律關(guān)系 Copelli 和 Carelli 承認(rèn)，這一結(jié)果對(duì)大腦更喜歡處于臨界點(diǎn)附近的觀念提出了挑戰(zhàn)。但他們也強(qiáng)調(diào)，如果不去進(jìn)行清醒動(dòng)物實(shí)驗(yàn)（這實(shí)驗(yàn)非常昂貴），他們無法最終解釋大鼠的數(shù)據(jù)。Copelli說，例如，在實(shí)驗(yàn)過程中睡眠不佳可能會(huì)使動(dòng)物的大腦偏離臨界狀態(tài)。 他們還和同事們分析了猴子和海龜?shù)墓_數(shù)據(jù)。雖然數(shù)據(jù)集非常有限，無法完全確定三個(gè)臨界指數(shù)之間的關(guān)系，但科學(xué)家計(jì)算了兩個(gè)不同冪律指數(shù)之間的比率，確定了神經(jīng)元雪崩大小和持續(xù)時(shí)間的分布。他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)比率始終是相同的，這對(duì)于物理學(xué)家來說可能意味著更通用的規(guī)律。 法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）的阿蘭德斯特克斯（Alain Destexhe）提出了將三個(gè)指數(shù)作為臨界性檢驗(yàn)的方程式，稱結(jié)果的普遍性“令人驚訝”，但他表示不確定是否支持了大腦臨界性假說。他指出，當(dāng)大腦無感覺輸入時(shí)，警覺狀態(tài)下的神經(jīng)元雪崩與深度麻醉下神經(jīng)元雪崩是類似的，臨界性可能與大腦如何處理信息無關(guān)，可能是由于大腦動(dòng)力學(xué)的其他方面。 接下來，巴西團(tuán)隊(duì)希望研究大鼠的同步和異步大腦階段如何與行為相關(guān)，這一難題源于一個(gè)現(xiàn)象：同步性爆發(fā)在睡眠中很常見，而且也出現(xiàn)在清醒的大腦中。 另外的研究將睡眠與恢復(fù)不穩(wěn)定大腦的臨界點(diǎn)聯(lián)系起來，Beggs 認(rèn)為進(jìn)一步的研究有朝一日可能會(huì)在心理健康與大腦物理學(xué)之間建立更深層次的聯(lián)系。 但首先，Copelli 說，臨界性領(lǐng)域需要解決更基本的問題。“目前的理論無法解釋結(jié)果，”他說，這意味著這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)可能為新理論的提出做了鋪墊?！?/p>
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