神經元的雪崩：大腦是否處於混沌與秩序的臨界點？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2019-09-09 09:56
關於大腦是否處於自組織臨界狀態，以及大腦如何湧現出思維與意識，學界有持續多年的討論。在今年發表在 Physical Review Letters 的一項工作中，來自巴西的物理學家通過分析多種動物的大腦，找到了大腦處於臨界狀態的新證據。
**撰文 |**Charlie Wood
翻譯 | Frank Xu
審校 | Leo
編輯 | 張爽
來源：集智俱樂部
自組織臨界性的經典模型：Bak-Tang-Wiesenfeld（Abelian）沙堆，由2800萬粒組成
來自巴西的物理學家通過分析小鼠和其他動物的大腦，發現大腦在兩種操作模式之間保持平衡狀態，運作在一種多變也多能的臨界狀態。這個研究結果對傳統的臨界大腦假説提出了挑戰。
論文題目：Criticality between Cortical States論文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.208101
印第安納大學 John Beggs 實驗室的一盤大鼠腦皮層切片。由電極記錄的活動級聯被稱之為神經元雪崩。| 圖片來源：Eric Rudd/Indiana University
瞭解大腦的巨大神經元網絡如何處理信息，對神經科學家來説一直很有吸引力。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構，處理生活中無數的需求與信息。“**如果大腦處於無序狀態，那麼它就很難處理信息，如果大腦太井井有條，那麼就很難適應環境的變化。”**來自巴西伯南布哥聯邦大學的物理學家 Mauro Copelli 如是説。
在20世紀90年代，物理學家 Per Bak 假設大腦的才能來自臨界性，這個概念起源於統計力學，説的是在穩定性和混亂之間徘徊的複雜系統。想想冬天的雪坡，初冬時節不太可能發生雪崩，但由於風積累了一個冬天，再發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點，某處有特定的積雪，這個積雪處於一個臨界狀態。**可能下一次的外力干擾就會引發雪崩或其他事情。
不同規模的雪崩發生的可能性是不同的，規模較小的雪崩比規模大的雪崩更頻繁地發生。在物理學家稱之為**臨界點（critical point）**的模型中，事件的大小和發生頻率之間具有簡單的指數關係。Bak 認為大腦就調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，這一觀點幾經起伏。第一個實驗證據來自於 2003 年的大鼠腦切片。印第安納大學的生物物理學家 John Beggs 發現，引發神經元的連鎖反應（也叫神經元雪崩），具備一系列的臨界點，由此引發了大量的後續研究。然而，批評者覺得這一結論下得為時尚早，同樣的規律可能出現在服從冪律法則的隨機系統中，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因設置而異，這意味着與大腦響應的通用機制背道而馳。此外，科學家在實驗中發現，同步神經元有着更強的臨界性，可是這種神經活動並沒有分佈在清醒動物的大腦中，而是常常發生於深度睡眠期間，這讓科學家很困惑，他們沒預料到臨界性和同步性之間的關聯。
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襬動，有時以典型的睡眠同步方式放電，其他時間類似於清醒大腦的隨機靜態放電，然後用幾十個金屬探針記錄下初級視覺皮層中神經活動的增強。科學家發現，神經元雪崩的大小和持續時間以及大小和持續時間之間的關係都符合具有不同臨界指數的冪律分佈——這一發現與 2003年 Begg 在死亡的大鼠腦切片中的發現一樣。
巴西，伯南布哥大學的監視器實時顯示着大鼠腦內的電生理記錄。| 圖片來源：Leandro Álvaro de Alcantara Aguiar
進一步研究發現，當神經元以中等同步性放電時，這三個指數能以一個簡單的等式組合在一起。這種指數間的關係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時間在這個狀態附近徘徊。 “這就像一杆冒着煙的槍，你再也不能迴避它了。”未參與這項研究的Beggs 説。“很難説這是隨機的。”
論文圖1：尖峯雪崩的大小和壽命的分佈
然而，當研究小組詳細研究臨界點在哪兒時，正如臨界大腦假説所預測的那樣，他們發現大鼠的大腦在低神經活動和高神經活動的階段之間沒有平衡；相反，臨界點把神經元的相干放電階段和大量神經元非相干放電階段分開。這可以解釋過去臨界性的研究要麼有要麼沒有的境地。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説：“事實上我們整合早期研究數據後發現，該結論確實指向了更通用的規律。”
但是被麻醉的大腦並不是自然狀態。因此科學家對自由狀態的小鼠自然狀態下的神經活動數據進行了重新的分析。他們再次發現，這些神經活動有時候會符合 2017年所發現的黃金規律。然而與麻醉的大鼠不同，小鼠大腦中的神經元大部分時間都是異步發射，遠離所謂的同步臨界點。
論文圖2：在不同的尖峯變異性水平上，尖峯雪崩的大小與壽命之間的冪律關係
Copelli 和 Carelli 承認，這一結果對大腦更喜歡處於臨界點附近的觀念提出了挑戰。但他們也強調，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據。Copelli説，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。
他們還和同事們分析了猴子和海龜的公開數據。雖然數據集非常有限，無法完全確定三個臨界指數之間的關係，但科學家計算了兩個不同冪律指數之間的比率，確定了神經元雪崩大小和持續時間的分佈。他們發現，這個比率始終是相同的，這對於物理學家來説可能意味着更通用的規律。
法國國家科學研究中心（CNRS）的阿蘭德斯特克斯（Alain Destexhe）提出了將三個指數作為臨界性檢驗的方程式，稱結果的普遍性“令人驚訝”，但他表示不確定是否支持了大腦臨界性假説。他指出，當大腦無感覺輸入時，警覺狀態下的神經元雪崩與深度麻醉下神經元雪崩是類似的，臨界性可能與大腦如何處理信息無關，可能是由於大腦動力學的其他方面。
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，這一難題源於一個現象：同步性爆發在睡眠中很常見，而且也出現在清醒的大腦中。
另外的研究將睡眠與恢復不穩定大腦的臨界點聯繫起來，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之間建立更深層次的聯繫。
但首先，Copelli 説，臨界性領域需要解決更基本的問題。“目前的理論無法解釋結果，”他説，這意味着這項新發現可能為新理論的提出做了鋪墊。”
本文經授權轉載自微信公眾號“集智俱樂部”。原題：Do Brains Operate at a Tipping Point? New Clues and Complications，原文可戳“閲讀原文”查閲。
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