我们的大脑可能在濒临混沌边缘时表现最佳。一项新理论认为，“临界性”——即介于有序与随机之间的一种微妙平衡——是学习、记忆和适应能力的秘密所在。当大脑偏离这种状态时，像阿尔茨海默病这样的疾病可能趁虚而入。检测并恢复临界性可能会彻底改变疾病的诊断和治疗方法。
圣路易斯华盛顿大学艺术与科学学院生物学副教授Keith Hengen（基思·亨根）在一篇具有重要意义的新论文中提出了一种全新的综合方法，用以理解大脑如何运作以及它必须遵循的规则，从而达到最佳性能。这篇论文为预防阿尔茨海默病及其他神经系统疾病提供了新的视角。
“人们普遍认为，人类大脑是宇宙中最复杂的东西，”Hengen说。“然而，大脑的强大能力可能源于一套相对简单的数学原则。”他的研究起点是这样一种假设：我们大脑几乎所有的功能都是通过学习或经验深刻塑造的。换句话说，我们并非天生就具备预设的电路来帮助我们阅读、开车或完成日常活动。一个健康的脑必须能够准备好学习任何东西。
但大脑如何做到这一点？Hengen认为，只有当大脑达到一种特殊的状态——“临界性”时，它才能成为一台高效的学习机器。临界性是一个来自物理学的概念，用于描述复杂系统处于秩序与混沌之间的临界点。Hengen解释说，在这个尖锐的边界上，大脑最能吸收新信息。“大脑需要达到临界性才能思考、记忆和学习。”
Hengen与阿肯色大学的物理学家Woodrow Shew（伍德罗·舒）共同提出了这一理论，并将其作为统一脑功能和疾病的框架，发表在著名期刊《神经元》（Neuron）上。临界性的概念最初由物理学家用来描述磁铁和其他材料的行为，后来被扩展到解释更广泛的复杂系统，包括雪崩、地震，最终延伸到生命系统和大脑。
临界系统的显著特征之一是它们在任何尺度下都表现出相同的模式。例如，一个即将发生雪崩的沙堆，无论其规模是小还是大，其坡度都保持一致。同样地，大脑中的临界性在少量神经元或整个区域中也保持恒定。此外，无论是在毫秒还是小时的时间跨度内观察，大脑活动模式都惊人地相似。“这符合我们对大脑工作方式的直觉理解，”Hengen说。“我们的内在体验可以从毫秒延续到数月，没有固定的尺度。”
Hengen和Shew还强调，临界性不仅仅是一个理论概念，而是可以通过功能性核磁共振成像（fMRI）技术精确测量和计算的状态。“临界性是大脑最优计算状态，”Hengen表示。“我们已经开发出一种数学方法来衡量大脑距离临界性有多近，这将帮助我们解答关于人类大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一个全新的视角。Hengen认为，像阿尔茨海默病这样的疾病破坏的不仅仅是特定的脑区或蛋白质的积累，而是更基础的东西：大脑维持临界性的能力。
“阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病不仅损害神经元，它们还会逐渐侵蚀大脑的计算能力，因为它失去了临界性，”Hengen解释道。“随着大脑越来越远离临界性，它会失去有效适应和处理信息的能力。”
这一框架还能解释大脑疾病的一个令人困惑的现象：患者通常在失去大量神经元之前看起来完全正常。“大脑具有惊人的补偿能力，即使临界性开始减弱，也能掩盖功能问题，”Hengen说。“传统评估方法往往错过早期阶段，因为它们关注的是大脑试图通过变通方式维持的既定端点。”
随着临界性逐渐恶化，大脑为了实现同样的认知结果需要付出更多努力。“就像一台仍然运转但需要更多燃料并产生更多热量的发动机，”Hengen比喻道。“当我们注意到记忆力问题或其他症状时，临界性很可能已经被破坏多年了。”
Hengen与WashU医学院的David M. Holtzman（大卫·霍尔茨曼）博士合作发现，阿尔茨海默病中tau蛋白的积累直接破坏了临界性，从而建立了该疾病的分子标志物与认知崩溃之间的明确联系。
这种临界性与阿尔茨海默病之间的联系为诊断开辟了令人兴奋的可能性。理论上，简单的功能性核磁共振成像可以帮助在症状出现前几年检测到临界性的崩溃。“结合前沿的血液测试，我们可以识别高风险人群并在不可逆损害发生前进行干预，”Hengen说。
在另一项合作中，Hengen与WashU医学院的精神病学教授Deanna Barch（迪安娜·巴赫）开展了一项观察性研究，以了解出生时的临界性如何决定儿童的认知发展和能力。“从一开始，一些孩子比其他人更接近临界性，根据我们的理论，这意味着他们将成为更好的学习者，”Hengen说。“许多外部因素会影响他们在学校的表现，但临界性可以解释儿童之间大量的差异。”
睡眠与心智的联系
2024年初，Hengen与WashU艺术与科学学院物理学教授Ralf Wessel（拉尔夫·韦塞尔）利用临界性概念重新审视了一个古老的问题：我们为什么需要睡眠？通过追踪多周的大脑活动，他们发现睡眠能够恢复临界性。“清醒和活跃状态让我们远离临界性，而睡眠就像一个重置按钮，”Hengen解释道。
这一洞见可能帮助研究人员解锁睡眠作为阿尔茨海默病和其他神经系统疾病的潜在疗法。此前，Holtzman等人已经发现，那些因轮班工作或慢性失眠而缺乏充足睡眠的人，在老年时患阿尔茨海默病的风险更高。并且已有证据表明，睡眠干预可以减缓阿尔茨海默病症状的进展。
Hengen相信，有针对性的高强度睡眠疗法可以帮助恢复临界性，从而改善患有脑部疾病患者的记忆和学习能力。Holtzman和Hengen实验室的博士后研究员James McGregor（詹姆斯·麦格雷戈）对小鼠的研究展示了这种可能性：经过专门的睡眠干预后，患有阿尔茨海默病症状的小鼠变得更擅长学习。
临界性的未来
尽管还有很多工作要做，但Hengen希望最终能够理解临界性如何解释人类神经生物学的复杂特性。“我们可能会发现，某些极其接近临界性的艺术家，其大脑中负责创造性思维的部分表现得尤为突出，”他说。此外，深入研究临界性或许还能揭示未被发现的倾向或潜力。“也许他们从未尝试过艺术，但我们能看到潜力的存在。”
与此同时，Hengen、Shew等人正在积极推广临界性的重要性。Hengen在2024年的TEDx演讲中分享了他的研究成果，并在艺术与科学学院的首届研究推介竞赛中获得第二名。他希望这篇发表在《神经元》上的新论文能激发神经学家、医生、记者和公众之间的讨论。
“Woody（Shew）和我真的觉得我们在做一些重要的事情，”Hengen说。“而且，或许慢慢地，其他人也开始认同。”
Hengen表示，圣路易斯华盛顿大学是孕育这一全新大脑概念的理想场所。“我们周围有来自不同领域的杰出人才，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。“每个人都很乐于提供帮助。”
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