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无序的天才 发表评论(0) 编辑词条

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无序的天才:大脑中如何产生混沌?编辑本段回目录

简介

你有没有试过某个怪诞的想法突然不知道从某个地方冒出来,这种突然的想法可能说明你特别与众不同哦。

(图)混沌的大脑混沌的大脑

本文介绍了大脑是如何有序和无序的运作,这涉及到幕次、定律混沌理论和蝴蝶效应,相信一定会激发你的好奇心。

你的大脑就像一堆沙,不过不用担心:这就是为什么它会有如此显著的能力(图片: Phanie Agency/Rex Features)

你有没有试过某个怪诞的想法突然不知道从某个地方冒出来,而且你根本不知道为什么你会在这个特定的时候冒出这种特别的想法?你可能认为这种稍纵即逝的想法,肯定是经过可预测和合理的程序而产生的,但是,它们看起来却是随机出现的。不管怎样,大脑不可能是随机运转吧,不是吗?理所当然的它肯定是经过顺序和逻辑的运算来处理信息的,就像一个功能强大的计算机一样。

事实上,不是这样的。在现实中,你的大脑在混乱的边缘运算着。尽管在很多时间,它是在一种有序稳定的状态下运作,但是不时它会突然没预测地进入暴雪地噪声中。

神经学学家已经揣想了很多很久。但是就在最近,他们证明出大脑就是这样工作的。现在,他们正在努力地求出为什么。一些人相信临近混乱的状态可能对记忆来说至关重要,而且这能解释为什么某些人会比其他人聪明。

专业地来说,在混乱边缘的系统被称为是在“自我组织的临界状态”。这些系统就是刚刚好在稳定有序行为的边界-就像一个摆动的钟摆-还有难以预测的混沌世界,如湍流一般。

自我组织临界的典型例子就是一个慢慢堆砌的沙堆。当沙砾慢慢增加, 沙堆一直在预料的方式中成长,直至突然而又毫无警戒地,它到达了一个临界点然后崩塌了。这些“沙崩”是自发造成的,而且它们几乎无法预测,所以这个系统被称为是临界而又在自我组织当中。地震,雪崩和山火也被认为是这样的,当经过一稳定的周期,紧接着是灾难性的波动周期,然后会把整个系统重新整理排列到一个新的,暂时稳定的状态。

自我组织临界有另一个定义特征:尽管沙崩是无法预测,但它们的总体布局是均匀的。雪崩是“规模不变”的,这意味着所有有可能的大大小小的雪崩都会发生。它们也遵循一个叫“幂次定律”的分配,意思是说根据一个严格的数学比例,大规模雪崩会比小规模的少。地震提供了实际生活中最好的例子。里氏震级5级地震的发生频率是6级地震的10倍,是7级地震的100倍。

这些是纯物理系统,但是大脑和它们有许多的共同点。大脑细胞网络在清醒周期和波动周期之间徘徊-生物电活动的“雪崩”会串联到所有神经元。就像真正的雪崩一样,这些串联就是这样发生的,还有大脑的最终状态谁也无法预料。

表面上看起来,一个不知什么时候会跳进波动周期的大脑似乎很不安全,但是实际上这种无序对大脑传输信息和解决问题的能力来说非常重要。“躺在临界点上能使大脑快速适应新的环境,”来自德国曼海姆心理健康中心协会的Andreas Meyer-Lindenberg说。

无序对大脑传输信息和解决问题的能力非常重要。

大脑用某种方式从根本上混乱了,这种想法在19世纪80年代末期首次出现,当时物理学家在研究混沌理论-然后一个相关的新的科学分支-启示了它可能能帮助解释大脑是如何工作的。

那时侯的焦点是某个叫确定性混沌理论的东西,一个小小的干扰能导致一个系统的巨变-这就是有名的“蝴蝶效应”。这使得大脑无法预测但是又不是完全随机进行,因为蝴蝶效应是物理法则中一个稀有的现象,它不遵循几率。研究人员建立了细致的计算模型来测试这个想法,但是不幸的,它们都不像真正大脑那样运行。“尽管结果是当对比真正人类大脑时,这个基于混沌理论的美丽、优雅的模型就是不相符合,”伦敦大学学院的一个神经学学家Karl Friston说。

19世纪90年代,出现说大脑会产生随机的噪音,然后又不能用确定性混沌理论描述。当神经学学家把随机性加入到他们的模型当中时,他们发现它创建了一个在有序和无序分界处的系统-自我控制临界。

最近一段时间,实验确定了这些模型准确的描述大脑组织的运作。它们是建立于当一个神经元被触发了,它也会触发其他临近的神经元,引起一个会影响大脑细胞中小网络的串联或雪崩活动。这会导致变换的静止和活动的周期-与沙堆的堆砌和崩塌非常相像。

神经雪崩

在2003年,在Bloomington印第安纳州大学的John Beggs开始研究小鼠脑组织薄膜的自发性生物电活动。他发现这些神经雪崩是规模不变的,还有它们的大小遵循幂次定律。重要的是,大规模雪崩和小规模雪崩的比例和预测的计算模型结果一样,这是首次发现大脑可能是在一个自我组织临界状态(The Journal of Neuroscience, vol 23, p 11167)。

为了进一步的研究,Begg的研究队伍测量了当一个神经元被触发后,在一个细胞中平均有多少个其他的神经元被激活。他们选用这种方式进行探究是因为自我组织临界的另一个特性是:平均来说,每一次触发都是一个接一个的。比如说,在森林大火中,每一棵烧毁的树平均来说都是一棵接一棵地排列-这就是为什么火势会继续蔓延,但也是为什么整个森林不在一瞬间着火的原因。

果然,研究小组发现每个神经元都是一个接一个地被触发。一个比一大很多的数字会导致了一个混沌系统,因为在生物电活动中任何小干扰都会很快被扩大,就像蝴蝶效应一样。“这就相等于癫痫发作一样,”Beggs说。另一方面,如果结果是一个比一小很多的数字,那么雪崩很快就会停止。

Begg的结果为证明自我组织临界对神经元中的小网络非常重要提供非常好的证据。但是如果是大范围呢?最近,开始逐渐清晰的一点就是,大脑活动也有大范围自我组织临界的迹象。

因为要处理信息,大脑常常要同步大量的神经元以相同的频率触发,这叫做“锁相”。就像不同的广播站有不同的广播频率一样,这允许有不同的神经元“任务部队”来完成他们之间的沟通而不会和其他的神经元相互影响。

大脑也会不断地重新部署任务部队,所以锁相的稳定周期会被暴雪活动中神经元不同步触发的不稳定周期穿插。再次地,这是关于沙堆的提醒。这可能是大脑自我组织临界的另一个例子吗?

2006年,Meyer-Lindenberg和他的小组首次回答了这个问题。他们利用了大脑扫描来绘制了人类大脑各区域之间的联系,发现他们形成了一个“小型世界网络”-就是支持自我组织临界的正确的结构。

小型世界网络位于均匀网络之间,它上面每一个节点都连接着最近的那个点,是个随机网络,没有均匀的结构,但是在网络的反面有很多长距离的连接(看图)。小型世界网络拥有大部分这两种网络的有用之处。在某些地方,节点有很多与他们邻居的联系,但是网络同时也包含了随机性,而且经常在两个节点间有长距离的连接。

对大脑来说,这是完美的协议。小型世界网络的其中一个特性就是:你可以只通过几个节点就能和网络任何的部分沟通-“六度分离”被誉为世界上任何两个人的之间的关系。在大脑中,数字是13。

Meyer-Lindenberg建造了一个13度分离的小型世界网络的电脑模拟程序。每一个节点用一个电子振荡器来表示,代表一个神经元的活动。结果确定了大脑刚好就是正确的结构让它的活动在于有序和无序之间的转折点。

铁定的证据是在今年较早时发布的,是当剑桥大学的Ed Bullmore和他的小组用大脑扫描仪记录19个志愿者的神经元活动时发现的。他们观察了整个脑电波的范围,从0.05赫兹一直到125赫兹,穿过大脑200个不同的区域。

再一次,幂次定律

小组发现锁相和不稳定重新同步周期的持续时间都遵守幂次定律分布。最重要的是,所有的频率都是这样,意味着这种现象是规模不变的-自我组织临界的另一个重要标准。

更多的是,但当小组尝试重新仿造他们在电脑模型中看到的志愿者的大脑的活动时,他们发现只有当模型在自我组织临界时才能成功。“当他们在临界状态时,模型才会显示相似的大脑同步图像。

Bullmore的小组的实验结果和自我组织临界对大脑活动是必要特性的证据相排斥,澳洲Melbourne Swinburne科技大学的神经学学家David Liley说。 (David曾尝试制作大脑混乱的计算模型)

但是为什么会这样?可能因为自我组织临界是许多脑功能的完美始点。

例如说,Beggs研究过的神经雪崩,对大脑传输信息来说是完美的。如果大脑在一个更稳定的状态下,这些雪崩会在传递到之前就结束了。如果大脑是混沌的,每一次雪崩都能使大脑变成沼泽。

但是在临界点,你可以冒着最小的降到混沌的风险得到最大限度的传输。“自我组织临界的一点好处就是雪崩能通过很多连接传播,”Beggs说,“你可以有不会在你身上爆炸的非常长的链接。”

自我组织临界也显示出允许大脑用快速重新安排同步到特定频率的神经元的方式适应新的环境。“我们离不稳定近一点,特别的刺激会使大脑进入一个新的状态快一点。”Liley说。

这可能会在记忆方式中扮演角色。Beggs的小组发现一定的神经元链会在雪崩中被重复触发,有时候会持续几个小时(The Journal of Neuroscience, vol 24, p 5216)。因为整个链因为一个神经元被触发而触发,这些链可能是记忆的一部分,Beggs争辩道:记忆无预料地想起是因为神经元被随机触发或者是被一个神经雪崩无预料地触发。

大脑里锁相和不稳定之间的平衡也被关联到智力-至少,IQ。 上一年,来自Tampa 南佛罗里达大学的Robert Thatcher对17个儿童进行eef测试, 年龄从5到17岁,他们也做了IQ的测试。

大脑里锁相和不稳定之间的平衡也被关联到智力-至少和IQ测试的成绩有关。

他发现儿童大脑停留在稳定锁相状态和不稳定相移状态下的时间和他们的IQ成绩有关。例如:一个例子中相移持续了55毫秒,但是每增加1毫秒的时间好像会增加儿童的IQ成绩20分。较短的锁相状态时间也和较高智力对应-1毫秒的不同会增加IQ成绩4.6分(NeuroImage, vol 42, p 1639)。

Thatcher说这是因为较长的相移时间能让大脑补充更多神经元来解决手上的问题。“这就像撒网和看一次能捕多少神经元一样,”他说。结果是一个更大的总体处理能力有助于更高的智商。

悬停在混沌的边缘会为大脑提供惊人的处理信息能力和快速适应我们千变万化的环境,但是如果我们偏离边界的任何一边会发生什么?最明显的的假设就是我们全部离心理疾病就差一小步。Meyer-Lindenberg建议说精神分裂可能是由于大脑的某些部分远离临界点的原因造成的。但是,到现在为止都还是推测。

同时,Thatcher发现患有孤独症的人大脑的一定区域比平均的不稳定相移状态的用更少时间。这种反常现象会导致降低处理信息的能力,还有,联想到,这种情况只有在与社会行为有关的区域才发现。“这些区域已经从混乱转向更稳定的活动,”他说。这项发现可能还能帮助更好地理解癫痫症:在癫痫发作时,大脑有趋向突然同时被触发,而偏离临界点就能解释这一点。

“他们说这是一条天才与白痴之间的细线,”Liley说。“也许我们最终开始能够理解智慧这个词了。”(编译:李振宇)

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