长期以来，研究人员一直想知道，大脑中数十亿独立的神经元是如何结合在一起，可靠地构建出一种能够轻松击败最先进计算机的生物机器的。所有这些微小的相互作用似乎都与某种保证了令人印象深刻的计算能力的东西有关。
在过去的20年里，有越来越多的证据支持这样一种理论，即大脑自我调节到一个点，在这个点上，大脑会尽可能地兴奋，而不会陷入混乱，类似于一个相变。这个临界性假说断言，大脑处于平静和混乱之间的微妙的平衡。正是在这条线上，信息处理被最大化。
Hengen然而，这一理论的一个关键预测——临界是一个真正的设定值，而不是一个纯粹的必然性——从未被测试过。直到现在。圣路易斯华盛顿大学的一项新研究直接证实了这一长期存在于行为自由的动物大脑中的预测。
“当神经元结合在一起时，它们会主动寻找一个关键的机制，”艺术与生物学助理教授基思·亨根(Keith Hengen)说10月7日发表在《神经元》(Neuron)杂志上的这篇新论文的主要作者。“我们的新工作证实了对临界性的理论兴趣，并证明临界性是正常运行网络的一个标志。”
研究人员确定，临界状态是主动调节的。但这种优化状态背后的机制并不简单。
“我们惊讶地发现，在我们的模型中，它主要是由大量的抑制性神经元构成的，回想起来，这些神经元很好地准备调节更大网络的组织，”Hengen说。
对临界状态的直接观察
临界是唯一已知的计算状态，通过它的定义，优化信息处理——如内存、动态范围和编码和传输复杂模式的能力。
理论物理学家最初提出，大脑可能是关键的。神经科学家对此反应不一。
“关于临界性的坚实理论研究由来已久，也有一些有趣的争议为其增添了趣味，”恒根说。“我认为这场争议来自两个方面。首先，我认为，由于这些数据集很难收集和分析，所以在vivo的大部分工作都是描述性的。不管怎样，直接证明临界性是大脑关注的东西是缺席的。
“其次，人们用来衡量临界状态的数学方法存在相当多的争议，”恒根说。“最近，人们不再测量从随机噪声中跳出来的简单幂律，而是开始研究指数关系。到目前为止，这是临界状态的唯一真实信号，也是我们所有测量的基础。”
他说:“我们的实验室为大脑临界性的讨论带来了非常高的贡献——因为它的分辨率(单个神经元)，也因为我们观察的总时间。”“我们可以观察关键动态，作为时间的函数，跨越一个非常长的时期。”
这项新研究的第一作者是马正宇(音译)，他是一名刚毕业的文科物理博士她与物理学教授拉尔夫·韦塞尔(Ralf Wessel)共同主持了这项研究。该研究利用了横恩在布兰代斯大学收集的小鼠自由活动的神经元记录数据。此后，横恩在华盛顿大学建立了自己的实验室，他正在收集自己的神经元记录——这些记录跨越了几个月和数百个神经元。
这样的录音需要大量的数据，在技术上也极具挑战性。
“时间分辨率非常高——这是一个优势，”马说。此外，他们可以记录9天。我仍然对此感到非常惊讶。能达到9天记录的实验室并不多。除了少数例外，之前的神经记录的实践状态是30分钟到几个小时，最多——这是用来限制临界性实验测试的最大时间。
马参与了计算的繁重工作，横恩和他的合著者将横恩的许多单神经元记录的数据进行合并和处理，以模拟整个神经网络的活动。
临界被破坏，然后重新出现
利用他们持续追踪神经元活动超过一周的能力，研究人员首先证实了视觉皮层的网络动态对临界状态具有良好的调节能力，即使是在光周期和暗周期。
接下来，通过阻断一只眼睛的视觉，研究人员发现临界状态被严重破坏，比操纵影响单个神经元的放电率早了一天多。
24小时后，临界状态再次出现在录音中，此时个别神经元被视觉剥夺所抑制。
恒恩(右)与研究技术员莫莉·萨福尔和博士后研究员瓦姆西·达利帕蒂交谈。(图片由恒恩实验室提供)“似乎一旦动物的期望与通过眼睛得到的信息不匹配，计算动力就会崩溃，”Hengen说。
“这与临界状态是发射率独立的理论物理是一致的，”他说。“It’s不只是关于网络中峰值的总数，因为在剥夺的最初阶段，发射率根本没有改变——然而这个政权却土崩瓦解了。”
研究人员现在认为，大脑中的临界状态可能与抑制性神经元、施加和组织计算动力学有关。
积极调整
这些发现可能对运动学习和疾病有重要意义。亨根指出，大脑围绕临界状态的自组织是一个活跃的过程，而受损的自我平衡调节越来越多地涉及严重的人类疾病，如阿尔茨海默病、癫痫、雷特综合症、自闭症和精神分裂症。
” Hengen说:“这项研究的一个解释是，临界状态是大脑网络自我平衡的最终目标。”这是一个优雅的想法:大脑可以调整一个自然属性到一个物理学家精确预测的点。从直觉上讲，进化选择了产生最优解的部分。但时间会证明一切。还有很多工作要做。”
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://source.wustl.edu/2019/10/brain-tunes-itself-to-criticality-maximizing-information-processing/