混沌边缘,大脑如何恰好击中甜蜜点的呢

时间:2024-06-30 22:08:06

大脑高度连接所带来的好处毋庸置疑,但它也存在一个潜在的负面影响。因为每一个神经元都与一个发达的小世界网络连接,所以电信号可以迅速传递得又远又广,引发一连串细胞信号发放。理论上,这还可能导致信号滚雪球般疯涨,让大脑掉线,引发癫痫。

好在上述情况的发生概率很小,在这个世界上只有1%的人会在一生中经历一次癫痫。这说明大脑能保持一种平衡,它既能控制神经信号的混乱洪流,又不至于完全阻滞信号流通。

大脑如何恰好击中甜蜜点(译者注:sweet spot,网球等运动的术语,意为球与拍的最佳接触点)呢?这个问题的答案直到20世纪70年代才被揭开。当时,杰克·考恩(Jack Cowan,现就职于美国芝加哥大学)意识到这种平衡代表的是理论物理学家熟知的一种状态,称作临界点或者“混沌边缘”。他认为,神经元发放产生级联效应或者“神经雪崩”时,大脑细胞会暂时跨过这个临界点,之后再回归安全区。

雪崩、森林火灾和地震等都是因为系统恰好位于临界点所致,它们有一些共同的数学特性,其中最重要的一条叫作“幂律”分布,就是说小型地震或森林火灾出现得比大规模的频繁,而且是由严格的数学比例决定的。举例来说,如果一种地震强度是另一种的10倍,那么它的出现频率就是另一种的1/10。

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位于美国马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院的约翰·贝格斯(John Beggs)和迪特马尔·普伦茨(Dietmar Plenz)在2003年测试了大脑是否也遵循上述规则,果不其然,他们在对鼠类大脑进行研究后发现,大脑也是一个处于混沌边缘的系统,一个神经元在被激活后一般会将信号传给一个相邻的神经元。而且和地震、森林火灾相似,大的“神经雪崩”虽会发生,但发生频率会随着规模的扩大而降低,遵循幂律分布。

功能磁共振扫描则显示,在全脑这个更大的尺度上也可观测到类似混沌边缘的活动,实际上,计算机模拟显示这可能是大脑中的小世界结构在起作用。

在混沌边缘走钢丝看起来有点冒险,但人们认为这样能给予大脑最大的灵活度,在加速信号传递的同时,还能随机应变,快速协调大脑活动。一些研究人员开始好奇像癫痫之类的疾病是不是因为大脑偏离了平衡状态导致的。“就像正常心率和正常血压一样,也许大脑也存在这么一个健康态。”贝格斯说道。

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