在一篇具有预防阿尔茨海默病及其他神经系统疾病意义的新论文中，圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）艺术与科学学院生物学副教授Keith Hengen提出了一种全新的综合方法，用于理解大脑运作及其达到最佳性能所需遵循的规则。
Hengen表示：“人们普遍认为，人类大脑是宇宙中最复杂的事物。然而，尽管大脑功能极为强大，这种能力可能源自一组相对简单的数学原则。”
Hengen的研究起点在于一个前提：我们的大脑几乎所有的功能都是通过学习或受到经验的深刻塑造而来的。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、驾驶汽车或完成日常生活中的其他任务。一个健康的大脑必须准备好学习任何事情。
但神经元集合如何能够学习？Hengen提出，大脑只有在达到一种称为“临界性”的特殊状态时，才能成为学习机器。“临界性”概念源于物理学，描述了一个复杂系统处于秩序与混沌之间的临界点。Hengen解释说，在这个边缘状态，大脑最容易获取新信息，“大脑需要达到临界性才能思考、记忆和学习。”
Hengen在《神经元》杂志上提出了临界性作为脑功能和疾病的统一理论，其合著者为阿肯色大学（University of Arkansas）的物理学家Woodrow Shew。
生物学家与物理学家的合作看似奇特，但这一新统一理论融合了两个科学领域。物理学家常用沙堆的经典例子来描述临界性：随着沙粒的增加，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沌之前，沙堆处于临界角度，即一步之遥的不稳定状态。
Shew解释说，物理学家最早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，最终延伸至生命系统和大脑。
临界系统的显著特征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如何，都具有相同的坡度。在大脑中，无论是测量少量神经元还是整个区域，临界性始终保持一致。同样，大脑模式在时间上的展开也惊人地相似，无论是以毫秒还是小时为单位考虑。Hengen说：“这与我们对大脑运作方式的直觉理解相吻合。我们的内部体验跨越毫秒到数月，没有固定的尺度。”
Hengen和Shew认为，临界性不仅是一个理论概念，还可以通过功能性磁共振成像（fMRI）技术精确测量和计算。“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衡量大脑离临界性有多近，这应该有助于解答关于人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新视角。Hengen认为，诸如阿尔茨海默病等疾病不仅仅损害神经元，还破坏了大脑维持临界性的基本能力。
“阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病不仅损伤神经元，还会通过逐渐消解临界性破坏大脑的整体计算能力，”Hengen解释道，“当大脑逐渐远离临界性时，它失去了适应和有效处理信息的能力。”
这一框架解释了脑疾病的一个令人困惑的特征：患者往往在失去大量神经元之前表现得完全正常。“大脑具有非凡的代偿能力，即使在临界性开始侵蚀时也能掩盖功能问题，”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，大脑为了达到相同的认知结果而更加努力工作。Hengen说：“这就像一台仍然运行的发动机，但它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，临界性可能已经被破坏多年。”
Hengen与医学博士David M. Holtzman（圣路易斯华盛顿大学医学院Barbara Burton和Reuben M. Morriss III杰出教授）的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，从而清楚地建立了该疾病的分子标志与认知崩溃之间的联系。
临界性与阿尔茨海默病之间的这种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可以在症状出现前几年检测到临界性的崩溃。“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害发生之前进行干预，”Hengen说。
在另一项合作中，Hengen与Deanna Barch（圣路易斯华盛顿大学医学院Gregory B. Couch精神病学教授兼艺术与科学学院心理学和脑科学教授）共同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，有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令人印象深刻的差异。”
睡眠与思维的联系
2024年初，Hengen与艺术与科学学院物理学教授Ralf Wessel利用临界性概念重新审视了一个古老的问题：为什么我们需要睡眠？通过跟踪多周的大脑活动，他们发现睡眠恢复了临界性状态。“清醒和活跃使我们远离临界性，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阿尔茨海默病及其他神经系统疾病的疗法的潜力。此前，Holtzman等人研究发现，那些由于轮班工作或慢性失眠而无法获得足够睡眠的人，随着年龄增长患阿尔茨海默病的风险更高。此外，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，并改善脑疾病患者的记忆力和学习能力。由Holtzman和Hengen实验室的博士后研究员James McGregor进行的小鼠研究表明了这种可能性：经过特定睡眠干预后，表现出阿尔茨海默病症状的小鼠学习速度更快。
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，一位非常出色的艺术家在涉及创造性思维的大脑部分可能极其接近临界性，”他说。仔细研究临界性也可能揭示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，但我们能看到潜力的存在。”
与此同时，Hengen、Shew等人正在传播临界性重要性的信息。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。他希望这篇新的《神经元》论文能激发神经学家、医生、记者和公众之间的讨论。
一个统一的脑理论可能会改变世界，但首先必须统一专家们。“Woody（Shew）和我真的认为我们找到了一些东西，”Hengen说，“或许慢慢地，其他人也开始同意。”
Hengen表示，圣路易斯华盛顿大学是新脑概念诞生的理想之地。“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，“每个人都愿意帮忙。”
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