在一篇具有深远影响的新论文中，来自华盛顿大学圣路易斯分校（Washington University in St. Louis, WUSTL）的生物学副教授Keith Hengen提出了一种全面的新方法，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。
“人们普遍认为，人类大脑是宇宙中最复杂的东西，”Hengen表示，“然而，尽管大脑拥有巨大的能力，但这种能力可能源于一组相对简单的数学原则。”
Hengen的核心假设是，几乎我们大脑所做的一切都是通过学习或被经验深刻塑造的。换句话说，我们并非天生就具备硬连线的电路，这些电路预先编程好帮助我们阅读、开车或完成日常生活的其他任务。一个健康的大脑必须随时准备学习一切。
那么，是什么让一群神经元能够学习？Hengen认为，只有当大脑进入一种特殊的状态——“临界性”时，它们才能成为学习机器。“临界性”这一概念借自物理学，描述了一种处于秩序与混沌之间临界点的复杂系统。Hengen解释道，在这个微妙的边界上，大脑已经准备好获取新信息。“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（University of Arkansas）的物理学家Woodrow Shew合作，在权威期刊《神经元》（Neuron）上提出了这一关于脑功能与疾病的统一理论。
生物学家和物理学家的合作看似奇特，但这一新的统一理论融合了两门科学领域的知识。物理学家通常用沙堆的经典例子来描述临界性：随着沙子的增加，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混乱之前，沙堆处于一个关键角度，仅一步之遥便陷入不稳定。
Shew解释说，物理学家最初深入研究临界性是为了描述磁铁和其他材料。进入21世纪后，这些思想被扩展到解释更广泛的复杂系统，包括雪崩、地震，最终是生命系统和大脑。
临界系统的显著特征之一是它们在任何尺度上看起来都相同：即将崩塌的沙堆无论大小，其斜率都是一样的。在大脑中，无论是测量少量神经元还是整个区域，临界性始终保持不变。同样，大脑模式在毫秒级或小时级的时间尺度上也惊人地相似。“这与我们对大脑工作方式的直觉理解相符，”Hengen说，“我们的内部体验从毫秒跨越到数月，没有特定的尺度。”
Hengen和Shew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，”Hengen说，“我们开发了一种数学方法来测量大脑距离临界性有多近，这应该有助于我们解答有关人类大脑如何工作的基本问题。”
根据Hengen和Shew的观点，临界性——这一由进化、生长和恢复性睡眠塑造的状态——标志着大脑计算能力的顶峰。
对疾病的新理解
临界性框架为理解神经系统疾病提供了全新的视角。Hengen认为，诸如阿尔茨海默病等疾病不仅损害神经元，还破坏了更为基础的东西：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仅是损伤神经元，它们通过缓慢瓦解临界性，破坏了大脑的整体计算能力，”Hengen解释道，“随着大脑逐渐远离临界性，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一个令人困惑的特征：患者往往在失去大量神经元后仍表现正常。“大脑拥有显著的代偿能力，即使临界性开始侵蚀，也能掩盖功能问题，”Hengen说，“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变通手段维持的既定终点。”
随着临界性逐渐恶化，大脑为了实现相同的认知结果而更加努力工作。Hengen表示：“就像一台发动机仍然运转，但需要更多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。”
Hengen与WashU医学院的David M. Holtzman博士（Barbara Burton和Reuben M. Morriss III杰出教授）合作，发现阿尔茨海默病中tau蛋白的积累直接影响了临界性，为该疾病的分子标志物与认知崩溃之间的联系提供了明确证据。
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扫描可以帮助在症状出现前几年检测到临界性的崩溃。“结合尖端血液测试，我们可以识别高风险人群并在不可逆损伤发生前进行干预，”Hengen说。
在另一项合作中，Hengen与WashU医学院的精神病学Gregory B. Couch教授Deanna Barch以及艺术与科学学院的心理与脑科学教授合作，开展了一项观察性研究，探讨出生时的临界性如何决定儿童期的认知发展和能力。“从一开始，有些孩子比其他人更接近临界性，基于我们的理论，这意味着他们将成为更好的学习者，”Hengen说，“虽然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相当大的差异。”
睡眠与心智的联系
2024年初，Hengen与WashU艺术与科学学院的物理学教授Ralf Wessel合作，利用临界性的概念重新审视了一个古老的问题：为什么我们需要睡眠？通过追踪多周的大脑活动，他们发现睡眠可以恢复临界性。“清醒和活跃让我们偏离临界性，而睡眠就像一个重置按钮，”Hengen解释道。
这一见解可能帮助研究人员解锁睡眠作为治疗阿尔茨海默病和其他使大脑偏离最佳状态的神经系统疾病的潜力。Holtzman及其他研究人员此前的研究表明，因轮班工作或慢性失眠而缺乏足够睡眠的人，随着年龄增长患阿尔茨海默病的风险更高。并且已有证据表明，睡眠干预可以帮助减缓阿尔茨海默病症状的进展。
Hengen认为，有针对性的强化睡眠疗法可以帮助恢复临界性，并改善患有脑部疾病人群的学习和记忆能力。Holtzman和Hengen实验室的博士后研究员James McGregor对小鼠的研究提供了一些可能性的线索：经过特定睡眠干预的小鼠，即使是专门培育出来表现出阿尔茨海默病症状的小鼠，也成为更快的学习者。
临界性的未来
还有许多工作要做，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征。“我们可能会发现，例如，一位出色的艺术家在涉及创造性构思的大脑区域可能非常接近临界性，”他说。此外，深入研究临界性可能会揭示一些尚未被发现的倾向或天赋，只需要一个出口。“也许他们从未尝试过艺术，但我们可以看到潜力的存在。”
与此同时，Hengen、Shew等人正在传播临界性重要性的理念。Hengen在2024年发表了TEDx演讲，并在艺术与科学学院首届研究推介竞赛中分享了他的工作，获得了第二名。他希望这篇发表于《神经元》的新论文能够激发神经学家、医生、记者和公众之间的讨论。
一个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。“伍迪（Shew）和我真的认为我们发现了什么重要的东西，”Hengen说，“也许慢慢地，其他人也开始同意。”
Hengen表示，WashU是提出大脑新概念的理想场所。“我们周围有许多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，这里的社区支持非常显著，”他说，“每个人都很乐意帮忙。”
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