摘要：大脑的理想状态可能是一种称为“临界性”的脆弱平衡，它最容易学习和适应。失去这种平衡可能是阿尔茨海默氏症等疾病的根源，而恢复平衡可能是预防和治愈的关键。信用： 存在Shutterstock

大脑的理想状态可能是一种称为“临界性”的脆弱平衡，它最容易学习和适应。失去这种平衡可能是阿尔茨海默氏症等疾病的根源，而恢复平衡可能是预防和治愈的关键。信用： 存在Shutterstock

在一篇对预防阿尔茨海默病和其他神经系统疾病有影响的新论文中，圣路易斯华盛顿大学艺术与科学生物学副教授Keith Hengen提出了一种新的综合方法来理解大脑是如何工作的，以及它必须遵循的规则以达到最佳表现。

“人们普遍认为人脑是宇宙中最复杂的东西，”亨根说。“大脑非常强大，但这种能力可能来自一套相对简单的数学原理。”

Hengen 从一个前提开始，即我们的大脑所做的几乎所有事情都是通过经验学习或有力塑造的。换句话说，我们并不是天生就有预先编程的硬接线电路来帮助我们阅读、驾驶汽车或做我们每天做的任何其他事情。一个健康的大脑必须准备好学习任何东西。

但是，一组神经元是如何进行学习的呢？Hengen 认为，只有当大脑达到一种称为“临界性”的特殊状态时，它们才会成为学习机器。临界性是一个从物理学中借来的概念，它描述了一个处于秩序与混乱之间的临界点的复杂系统。Hengen 说，在这个剃刀的边缘，大脑已经准备好获取新信息。“大脑需要达到临界状态才能思考、记忆和学习。”

Hengen 在著名的期刊 Neuron 上提出了临界性作为大脑功能和疾病的统一理论。阿肯色大学（University of Arkansas）的物理学家伍德罗·休（Woodrow Shew）是该书的合著者。

生物学家和物理学家似乎是一对奇怪的配对，但新的统一理论融合了这两个科学领域。物理学家经常使用沙堆的经典例子来描述临界性：随着沙子的加入，沙堆会变得越来越陡峭，直到最终发生雪崩。就在最后一粒沙粒引发混乱之前，沙堆处于临界角度，离不稳定只有一步之遥。

Shew 解释说，物理学家首先对临界性有了深刻的理解，以此来描述磁铁和其他材料。在 21 世纪之交，这些想法被扩展到解释更广泛的复杂系统，包括雪崩、地震，以及最终的生命系统和大脑。

关键系统的一个决定性方面是，它们在任何规模上看起来都是一样的：无论沙堆是微小的还是多山的，位于雪崩边缘的沙堆都具有相同的坡度。在大脑中，临界度是恒定的，无论是在少数神经元还是整个区域中测量。同样，以毫秒或小时为单位时，随时间展开的大脑模式也惊人地相似。“这与我们对大脑工作方式的直观理解相匹配，”Hengen 说。“我们的内部体验跨越毫秒到几个月。他们没有尺度。

Hengen 和 Shew 认为，临界性不仅仅是一个理论概念;这是一种可以通过 fMRI 脑成像技术精确测量和计算的状态。“临界度是大脑的最佳计算状态，”Hengen 说。“我们已经开发了一种数学方法来测量大脑与临界状态的接近程度，这应该有助于我们确定有关人脑如何工作的基本问题。”

对疾病的新理解

临界性框架为理解神经系统疾病提供了新的视角。Hengen 认为，阿尔茨海默氏症等疾病并没有关注特定受损的大脑区域或积累的蛋白质，而是破坏了更基本的东西：大脑保持临界状态的能力。

“阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病不仅会损害神经元，还会通过缓慢溶解临界性来破坏大脑的一般计算能力，”Hengen 解释说。“随着大脑越来越远离临界状态，它会失去有效适应和处理信息的能力。”

这个框架解释了脑部疾病的一个令人费解的特征：患者通常看起来完全正常，直到他们失去了许多神经元。“大脑具有非凡的补偿能力，即使临界性开始下降，也可以掩盖功能问题，”Hengen 说。“传统评估错过了早期阶段，因为它们专注于大脑试图通过变通方法维护的既定终点。”

Hengen 说，随着临界度逐渐恶化，大脑会更加努力地工作以实现相同的认知结果。“这就像一个仍在运转的发动机，但需要更多的燃料并产生更多的热量。当我们注意到记忆问题或其他症状时，严重程度可能已经妥协了多年。

Hengen 与 WashU Medicine 的 Barbara Burton 和 Reuben M. Morriss III 杰出教授 David M. Holtzman 医学博士的合作揭示了阿尔茨海默病中 tau 蛋白的积累直接破坏了危急性，从而在疾病的分子特征与认知崩溃之间建立了明确的联系。

危急性与阿尔茨海默病之间的这种联系为令人兴奋的诊断可能性开辟了令人兴奋的可能性。从理论上讲，一个简单的 fMRI 可以帮助在症状出现前几年检测出危重性的故障。“结合尖端的血液测试，我们可以识别处于风险中的人，并在不可逆转的损害发生之前进行干预，”Hengen 说。

在另一项合作中，Hengen 与 WashU Medicine 的 Gregory B. Couch 精神病学教授兼艺术与科学学院心理学和脑科学教授 Deanna Barch 合作进行了一项观察性研究，以了解出生时的临界性如何决定童年的认知发展和能力。“从一开始，一些孩子就比其他孩子更接近临界性，根据我们的理论，这表明他们会成为更好的学习者，”Hengen 说。“许多外部因素会影响他们在学校的成功，但临界性可以解释儿童之间令人印象深刻的差异。”

睡眠与心灵的联系

在2024年初，Hengen和合著者Ralf Wessel，华盛顿大学艺术与科学的物理学教授，使用临界性的概念重新审视了一个古老的问题：我们为什么需要睡眠？通过跟踪数周的大脑活动，他们发现睡眠可以恢复临界状态。“保持清醒和活跃可以让我们远离危急状态，而睡眠就像一个重置按钮，”Hengen 解释说。

这种洞察力可以帮助研究人员释放睡眠作为治疗阿尔茨海默氏症和其他神经系统疾病的力量，这些疾病会使大脑远离最佳状态。Holtzman 和其他人之前的研究发现，随着年龄的增长，没有获得所需睡眠的人——可能是由于轮班工作或慢性失眠——患阿尔茨海默病的风险要高得多。已经有一些证据表明，睡眠干预可以帮助减缓阿尔茨海默病症状的进展。

Hengen 认为，有针对性的、基于睡眠的强化疗法可以帮助脑部疾病患者恢复关键性并改善学习和记忆。Holtzman 和 Hengen 实验室的博士后研究员 James McGregor 对小鼠进行的研究提供了可能性的一瞥：在有针对性的睡眠干预加强了关键性后，专门培育为患有阿尔茨海默病症状的小鼠会变得更快。

关键未来

还有很多工作要做，但 Hengen 最终希望了解临界性如何帮助解释人类神经生物学的复杂特征。“例如，我们可能会发现，一位了不起的艺术家可能在大脑中参与创意构思的部分非常接近临界状态，”他说。仔细观察关键性也有可能指出未被发现的倾向或人才，它们只是一个出口。“也许他们从未尝试过艺术，但我们可以看到潜力是存在的。”

与此同时，Hengen、Shew 和其他人正在宣传临界的重要性。Hengen在2024年就这个主题进行了TEDx演讲，并在Arts & Sciences的首届研究推广比赛中分享了他的工作，他获得了第二名。他希望新的 Neuron 论文能够激发神经学家、医生、记者和公众之间的对话。

统一的心智理论可以改变世界，但首先，它必须统一专家。“Woody （Shew） 和我真的认为我们在这方面取得了一些进展，”Hengen 说。“而且，也许慢慢地，其他人开始同意。”

Hengen 说，华盛顿大学是大脑新概念出现的理想场所。“我们周围都是不同领域的杰出人士，包括物理学、生物学、心理学、数学和神经科学，这里的社区非常支持，”他说。“每个人都准备好提供帮助。”

来源：人工智能学家