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，學(xué)界有持續(xù)多年的討論。在今年發(fā)表在 Physical Review Letters 的一項工作中，來自巴西的物理學(xué)家通過分析多種動物的大腦，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)，運作在一種多變也多能的臨界狀態(tài)。這個研究結(jié)果對傳統(tǒng)的臨界大腦假說提出了挑戰(zhàn)。

論文題目：Criticality between Cortical States

論文地址：

https://journals./prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.208101

印第安納大學(xué) John Beggs 實驗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，對神經(jīng)科學(xué)家來說一直很有吸引力。但這同樣是個難題，其中部分工作，就是理解大腦如何用同一個物理結(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?！?/strong>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 90 年代，物理學(xué)家 Per Bak 假設(shè)大腦的才能來自臨界性，這個概念起源于統(tǒng)計力學(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，初冬時節(jié)不太可能發(fā)生雪崩，但至于風(fēng)積累一個冬天，再發(fā)生雪崩的機會就比較大了。在這個變化過程中，可能存在這樣一個時間節(jié)點，某處有特定的積雪，這個積雪處于一個臨界狀態(tài)。可能下一次的外力干擾就會引發(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（critical point）的模型中，事件的大小和發(fā)生頻率之間具有簡單的指數(shù)關(guān)系。Bak 認為大腦就調(diào)整到這樣一個最佳位置，會使大腦成為強力而靈活的信息處理器。

多年來，這一觀點幾經(jīng)起伏。第一個實驗證據(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，由此引發(fā)了大量的后續(xù)研究。然而，批評者覺得這一結(jié)論下得為時尚早，同樣的規(guī)律可能出現(xiàn)在服從冪律法則的隨機系統(tǒng)中，比如猴子打字機模型。

這一觀點的擁護者主要面臨兩個問題：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)的通用機制背道而馳。此外，科學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn)，同步神經(jīng)元有著更強的臨界性，可是這種神經(jīng)活動并沒有分布在清醒動物的大腦中，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，有時以典型的睡眠同步方式放電，其他時間類似于清醒大腦的隨機靜態(tài)放電，然后用幾十個金屬探針記錄下初級視覺皮層中神經(jīng)活動的增強。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元雪崩的大小和持續(xù)時間以及大小和持續(xù)時間之間的關(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)視器實時顯示著大鼠腦內(nèi)的電生理記錄。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)神經(jīng)元以中等同步性放電時，這三個指數(shù)能以一個簡單的等式組合在一起。這種指數(shù)間的關(guān)系就滿足了批評者們在 2017 年提出的更嚴格的臨界性測試。麻醉大鼠的大腦多數(shù)時間在這個狀態(tài)附近徘徊。

“這就像一桿冒著煙的槍，你再也不能回避它了。”未參與這項研究的Beggs 說?！昂茈y說這是隨機的。”

論文圖1：尖峰雪崩的大小和壽命的分布

然而，當(dāng)研究小組詳細研究臨界點在哪兒時，正如臨界大腦假說所預(yù)測的那樣，他們發(fā)現(xiàn)大鼠的大腦在低神經(jīng)活動和高神經(jīng)活動的階段之間沒有平衡；相反，臨界點把神經(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月底出版的物理評論快報中說：“事實上我們整合早期研究數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，該結(jié)論確實指向了更通用的規(guī)律。”

但是被麻醉的大腦并不是自然狀態(tài)。因此科學(xué)家對自由狀態(tài)的小鼠自然狀態(tài)下的神經(jīng)活動數(shù)據(jù)進行了重新的分析。他們再次發(fā)現(xiàn)，這些神經(jīng)活動有時候會符合 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)元大部分時間都是異步發(fā)射，遠離所謂的同步臨界點。

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，這一結(jié)果對大腦更喜歡處于臨界點附近的觀念提出了挑戰(zhàn)。但他們也強調(diào)，如果不去進行清醒動物實驗（這實驗非常昂貴），他們無法最終解釋大鼠的數(shù)據(jù)。Copelli說，例如，在實驗過程中睡眠不佳可能會使動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，無法完全確定三個臨界指數(shù)之間的關(guān)系，但科學(xué)家計算了兩個不同冪律指數(shù)之間的比率，確定了神經(jīng)元雪崩大小和持續(xù)時間的分布。他們發(fā)現(xiàn)，這個比率始終是相同的，這對于物理學(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）提出了將三個指數(shù)作為臨界性檢驗的方程式，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，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)，可能是由于大腦動力學(xué)的其他方面。

接下來，巴西團隊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)定大腦的臨界點聯(lián)系起來，Beggs 認為進一步的研究有朝一日可能會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?！澳壳暗睦碚摕o法解釋結(jié)果，”他說，這意味著這項新發(fā)現(xiàn)可能為新理論的提出做了鋪墊?！?/p>

翻譯：Frank Xu

審校：Leo

編輯：張爽

原題：

Do Brains Operate at a Tipping Point? New Clues and Complications

原文鏈接：

https://www./do-brains-operate-at-a-tipping-point-new-clues-and-complications-20190610/