新的研究提出了一种基于“临界性”的大脑功能统一理论。所谓临界性，是指大脑处于秩序与混沌之间的微妙状态，这种状态使大脑能够以最佳方式学习、适应并处理信息。当大脑偏离这一平衡时，认知能力会减弱，并可能导致阿尔茨海默病等神经疾病的发生。
研究人员发现，阿尔茨海默病中的tau蛋白积累会破坏大脑的临界性，而睡眠似乎可以恢复它，这为潜在的新疗法开辟了道路。通过功能性磁共振成像（fMRI）等工具，这一理论可能会带来更早的诊断方法和个性化的干预措施，以维持或恢复大脑功能。
临界性的定义： 大脑在接近混沌的临界点上运作最佳，这对于学习和认知至关重要。
与阿尔茨海默病的关联： 阿尔茨海默病可能通过破坏大脑维持临界性的能力来损害认知功能，而不仅仅是杀死神经元。
睡眠的作用： 睡眠能够恢复大脑的临界性，为预防或减缓神经退行性疾病提供了新思路。
华盛顿大学圣路易斯分校（WUSTL）生物科学系副教授基思·亨根 (Keith Hengen) 在一篇新论文中提出了一个综合方法，用于理解大脑如何运作以及实现最佳性能所需遵循的规则。他表示：“人们普遍认为，人类大脑是宇宙中最复杂的东西。然而，它的强大能力可能源于一组相对简单的数学原理。”
亨根从一个前提开始：我们大脑所做的一切几乎都是通过学习或由经验深刻塑造的。换句话说，我们并非生来就具备帮助我们阅读、开车或其他日常活动的硬连线电路。健康的大脑必须随时准备好学习任何东西。
但为什么神经元的集合能够学习？亨根提出，只有当大脑达到一种特殊状态——即“临界性”时，才能成为一台学习机器。临界性是一个从物理学借用的概念，描述了一个复杂系统处于秩序与混沌之间的临界点。亨根说：“在这种状态下，大脑能够获得新信息。”他进一步解释道：“大脑需要达到临界性才能思考、记忆和学习。”
亨根与阿肯色大学的物理学家伍德罗·舒 (Woodrow Shew) 合作，在著名期刊《神经元》(Neuron) 上提出了临界性作为大脑功能和疾病的统一理论。舒指出，物理学家常用沙堆的经典例子来描述临界性：当沙子不断堆积，沙堆会变得越来越陡峭，直到最终发生崩塌。就在最后一粒沙子引发崩塌之前，沙堆处于一个临界角度，仅一步之遥就会失稳。
舒解释说，物理学家最初深入理解临界性是为了描述磁铁和其他材料。进入21世纪后，这些概念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。
临界系统的一个显著特征是它们在任何尺度下看起来都相同：无论是小沙堆还是大山体，处于崩塌边缘的沙堆具有相同的斜率。同样，无论是在少量神经元还是整个脑区测量，大脑的临界性保持不变。此外，随着时间展开的大脑模式在毫秒级或小时级上也惊人地相似。
亨根表示：“这与我们对大脑运作方式的直觉理解相符。我们的内部体验从毫秒跨度到数月，没有固定的尺度。”
亨根和舒认为，临界性不仅仅是一个理论概念，它是一种可以通过功能性磁共振成像（fMRI）技术精确测量和计算的状态。“临界性是大脑的最佳计算状态，”亨根说，“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，这将帮助我们解决关于人类大脑如何运作的基本问题。”
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新视角。亨根认为，诸如阿尔茨海默病之类的疾病并不是单纯损害特定脑区或累积蛋白质，而是破坏了更基本的东西：大脑维持临界性的能力。
亨根解释说：“阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病不仅损伤神经元，它们还会通过逐渐瓦解临界性来破坏大脑的整体计算能力。随着大脑离临界性越来越远，它失去了适应和有效处理信息的能力。”
这一框架解释了脑部疾病的令人困惑的特征：患者往往在失去大量神经元之前表现得完全正常。亨根说：“大脑具有惊人的补偿能力，即使临界性开始侵蚀，也能掩盖功能问题。传统的评估方法忽略了早期阶段，因为它们关注的是大脑试图通过其他途径维持的既定终点。”
随着临界性逐步恶化，大脑为了实现相同的认知结果需要付出更多努力。亨根比喻道：“就像一台发动机仍然运转，但需要更多的燃料并产生更多热量。当我们注意到记忆问题或其他症状时，临界性很可能已经被破坏多年。”
亨根与华盛顿大学医学院的芭芭拉·伯顿和鲁本·莫里斯三世杰出教授大卫·霍尔茨曼 (David M. Holtzman) 博士合作，揭示了阿尔茨海默病中tau蛋白的积累直接破坏了临界性，从而明确了该疾病的分子标志物与认知崩溃之间的联系。
这种临界性与阿尔茨海默病之间的联系开启了令人兴奋的诊断可能性。理论上，一次简单的功能性磁共振成像（fMRI）可以帮助检测临界性在症状出现前几年的崩溃情况。亨根表示：“结合前沿血液测试，我们可以识别高风险人群并在不可逆损伤发生之前进行干预。”
在另一项合作中，亨根与华盛顿大学医学院的精神病学教授迪安娜·巴赫 (Deanna Barch) 共同开展了一项观察性研究，以探讨出生时的临界性如何决定儿童的认知发展和能力。亨根说：“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。尽管许多外部因素会影响他们的学业成功，但临界性可以解释儿童之间相当大的差异。”
睡眠与思维的联系
2024年初，亨根与合著者、华盛顿大学艺术与科学学院物理系教授拉尔夫·韦塞尔 (Ralf Wessel) 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？通过追踪多周的脑活动，他们发现睡眠能够恢复临界状态。
亨根解释说：“清醒和活跃会使我们远离临界性，而睡眠就像一个重置按钮。” 这一见解可能有助于研究人员解锁睡眠作为治疗阿尔茨海默病和其他推动大脑远离最佳状态的神经疾病的潜力。
霍尔茨曼及其他人的先前研究表明，那些无法获得充足睡眠的人——可能是由于轮班工作或慢性失眠——随着年龄增长患阿尔茨海默病的风险要高得多。并且已有证据表明，睡眠干预可以帮助减缓阿尔茨海默病症状的进展。
亨根认为，有针对性的强化睡眠疗法可以帮助恢复临界性，并改善脑疾病患者的学习和记忆能力。霍尔茨曼和亨根实验室的博士后研究员詹姆斯·麦格雷戈 (James McGregor) 开展的小鼠研究表明，经过针对性的睡眠干预，患有阿尔茨海默病症状的小鼠变得更善于学习。
临界性的未来
还有许多工作要做，但亨根希望最终能理解临界性如何解释人类神经生物学的复杂特征。他说：“例如，一位出色的艺术家可能在涉及创造性构思的大脑区域非常接近临界性。” 此外，仔细研究临界性可能会揭示未被发现的倾向或天赋，只需一个出口即可展现。
与此同时，亨根、舒等人正在传播临界性重要性的理念。亨根在2024年发表了TEDx演讲，并在艺术与科学学院的首届研究推介竞赛中获得第二名。他希望这篇新的《神经元》论文能够激发神经学家、医生、记者和公众之间的讨论。
亨根表示：“统一的心智理论可能会改变世界，但首先，它必须统一专家们。我和伍迪（舒）真的认为我们发现了什么，也许慢慢地，其他人也开始同意了。”
亨根认为，华盛顿大学是新大脑概念诞生的理想之地。他说：“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。每个人都很乐意提供帮助。”
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