別追求絕對專注了！科學發現：大腦最佳狀態，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。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物。

僅僅是告訴別人你的名字，對在一團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雜、最精致的計算行為之一。”圣路易斯華盛頓大學的生物學家Keith Hengen說。

我們如何實現這種復雜性，這個問題已經困擾了哲學家和神經科學家幾個世紀，而現在看來，答案似乎并非“精密”。相反，這一切可能都歸結于大腦固有的“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”（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中看到類似的臨界狀態，其中看似微小的事件可能產生巨大的連鎖后果。

處于這個臨界點的系統受到精確的數學規律支配，現在看來，同樣的動力學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害相同的規律，這聽起來可能很荒謬——但除了Hengen之外，許多神經科學家也得出了同樣的結論。“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。”蒙特利爾大學神經科學家Karim Jerbi說。

這一假說可以預測精神藥物的效果，或許還能幫助我們更準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家Per Bak，他在20世紀80年代和90年代首次提出了臨界系統的規律。他發現，例如森林火災的傳播就處于臨界點附近。如果偏向一個方向，整個生態系統會迅速燃燒殆盡；如果偏向另一個方向，火焰會迅速熄滅，無法蔓延。

Bak指出，森林火災的規模分布是“無標度”（scale-invariant）的，意味著任何規模的火災都可能發生，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世紀初，神經科學家開始懷疑大腦的電活動也表現出類似的模式。我們的神經元通過突觸連接形成復雜的網絡，當某個神經元“放電”時，它可能觸發其他神經元也放電。“活動就像雪崩一樣自我放大。”Jerbi的博士生Jordan O'Byrne說，他最近發表了一篇論文回顧了支持臨界大腦假說的證據。

為了驗證這一想法，印第安納大學的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元的自發放電活動。他們發現，平均而言，每個活躍的神經元恰好觸發另一個神經元放電——這個數字在數學上正好是大腦的臨界點。如果數字更高，雪崩式活動會失控；如果更低，活動就會迅速熄滅。老鼠大腦切片表現出與其他臨界系統相同的無標度分布和冪律特征。

大腦的電活動就像雪崩一樣

此后，多項研究在其他神經行為中也發現了臨界性的跡象，例如不同腦區的同步化現象。這種現象在多種物種中也被觀察到，包括斑馬魚、貓、猴子——當然還有人類。

然而，在此過程中也出現了一些矛盾的結果，一些研究未能發現臨界性的特征（如冪律分布），Hengen認為，這些爭議推動了科學家使用更敏感的神經活動記錄技術和更復雜的數學分析。他說，“在我看來，這些持懷疑態度的群體，對研究大腦臨界性來說是件大好事。他們迫使這個領域更深入地挖掘。”

Hengen與阿肯色大學的物理學家Woodrow Shew合作，分析了320項現有實驗數據，表明如果使用新的臨界性統計檢驗方法，那些看似矛盾的結果實際上可以與假說相吻合。他們的論文于六月發表在神經科學頂級期刊《Neuron》上。

大腦接近臨界點的程度可能取決于多種因素，如神經網絡連接結構和突觸中神經遞質平衡。“在臨界性周圍存在一個健康腦功能的區間。”Shew說。

這使我們能根據情境靈活調整思維。“它讓大腦有空間動態調節其臨界水平，以應對特定情境或任務。”O'Byrne說。

智能與創造力

健康大腦在清醒狀態下似乎始終保持在臨界點附近，這表明臨界性具有重要優勢。首先是信息傳輸和處理的廣度。由于臨界系統的無標度特性，信號可以跨越短距離和長距離傳遞，從而實現不同腦區之間的廣泛溝通，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新情境。“它讓大腦既足夠穩定以理解世界，又足夠動態以最優方式應對世界。”Jerbi說。“我們認為大腦之所以運作于混沌邊緣，是因為這是復雜思維、學習、決策和適應新情境的理想區域。”

如果這個假說成立，那么大腦接近臨界點的微小差異應該會影響一個人的整體認知功能——這正是密歇根大學的Naoki Masuda及其同事在2020年發現的結果。

研究團隊讓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期的那樣。

赫爾辛基大學的認知科學家Jaana Simola及其同事的一項實驗也證實了臨界區帶來的靈活性增強。參與者需要玩一個規則不斷變化的電腦游戲，要求他們隨時調整策略。結果顯示，大腦越接近臨界點，表現越好。

Jerbi懷疑，大腦接近臨界點的程度對創造力尤其重要——這是標準智商測試無法衡量的思維形式。“創造力源于大腦探索新奇想法的能力，同時保持足夠的結構使其有意義。”他說。“臨界性可能為這一過程提供了最優的神經環境，使大腦能在自發、發散性思維和專注、目標導向推理之間流暢切換。”

大幅偏離臨界區——無論是偏向秩序還是混亂——都可能導致嚴重的大腦功能障礙。“雖然臨界性賦予大腦優勢，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甚至有害的狀態，”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出思維快速衰退之前就已遭受某些嚴重損害。這可能標志著大腦難以維持在臨界區內的時刻，導致其計算能力嚴重下降。“到了一個點，如果你從網絡中移除足夠多的節點，你真的會開始看到網絡的豐富性急劇下降，”巴黎-薩克雷大學的博士生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科學家的關注。“近年來，大家的興趣迅速增長。”O'Byrne說。“這個消息正在傳播開來。”這也帶來了更大膽的設想。

Hengen想知道，睡眠是否可能進化出來是為了將大腦帶回臨界點。他對老鼠的研究已經提供了有力證據表明疲勞與大腦臨界性密切相關。“預測動物下一小時是清醒還是睡眠的最強指標，是它接近臨界點的程度。”他說。“你越接近臨界點，越可能清醒；而你越遠離臨界點，越可能睡眠。”

似乎我們工作越久，大腦越遠離臨界點，而睡眠則幫助大腦重新調回臨界區。如果沒有這段休息時間，大腦就無法達到最佳狀態，導致失眠伴隨的認知能力下降。睡眠的長度和質量甚至會影響呼吸控制等自動過程，Hengen說。這些廣泛影響表明，睡眠進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，使全腦動力學回到臨界點。”

咖啡因等化學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。

團隊發現，咖啡因在睡眠中持續將大腦推向臨界點。“它讓大腦處于半清醒狀態。”Jerbi說。結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到最佳狀態。“它可能干擾睡眠的恢復功能。”

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，但大多數神經科學家和哲學家都認同，意識最基本地涉及一種“主觀視角”——無論是現實生活還是夢境——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據的方式，使得整合后的信息總量大于各部分之和。有趣的是，數學模型表明，當大腦接近臨界點時，整合信息量的測量達到峰值，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；而氯胺酮則產生一種分離狀態，使患者與外界隔絕，但并未完全消除意識。他們仍然可以體驗到充滿強烈感覺和自我意識的生動夢境。

O'Byrne及其同事去年發表的一篇論文發現，氯胺酮麻醉下的大腦仍然接近臨界區，而氙氣或丙泊酚麻醉下的大腦則遠離臨界點。“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，”他總結道。

調節大腦

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，是否有可能學會主動調節大腦在臨界區中的位置。例如，睡前將大腦推離臨界點，或在需要處理復雜信息或頭腦風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復雜學習。”他不愿透露細節，不過表示這涉及設計睡眠模式——動物實驗已經顯示出令人印象深刻的結果。

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，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節。”O'Byrne說。

而“內觀”（Vipassana，或稱開放監控冥想）則鼓勵對所有通過大腦的想法、情感和感覺進行非評判性的覺察。“在這里，我們預期臨界性會增加，以最大程度地敏感于環境。”O'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。參與者是來自羅馬附近Santacittārāma寺院的12名佛教僧侶。Pascarella讓僧侶分別進行6分鐘的止禪和內觀冥想，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。

正如預期，研究發現專注冥想（止禪）使大腦遠離臨界點，而開放冥想（內觀）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'Byrne說，他是該研究的合著者。這項研究目前以預印本形式發布，正在等待同行評審。結果表明，經過足夠練習，我們似乎可以隨心所欲地調整大腦活動，從而實現最適合當前任務的心理狀態。

值得一提的是，每位僧侶都已積累超過2000小時的冥想經驗，但新技術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“神經反饋”（neurofeedback）的技術——通過便攜式EEG向用戶實時呈現大腦活動的視覺反饋，從而加速某些冥想技巧的訓練。

與此同時，我們或許可以學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，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

聲明：本文版權屬于原作者，僅用于學術交流

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