諾貝爾獎(jiǎng)得主菲利普·安德森（Philip Anderson）曾提出“多者異也”（More is different）的著名論斷：
當(dāng)簡(jiǎn)單元素以特定方式組合時(shí)，
會(huì)涌現(xiàn)出超越個(gè)體總和的新特性。
人腦正是這類復(fù)雜系統(tǒng)的典型代表——無(wú)論是記憶存儲(chǔ)、空間導(dǎo)航還是情緒調(diào)控，都依賴于數(shù)百億神經(jīng)元通過(guò)突觸構(gòu)成的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。而大腦功能正常運(yùn)作的關(guān)鍵，在于“興奮-抑制”的精準(zhǔn)平衡。
在計(jì)算機(jī)模擬中，僅需設(shè)置無(wú)抑制的興奮回路，就可以模擬出癲癇發(fā)作。然而，要在真實(shí)的人類大腦中維持?jǐn)?shù)十年的穩(wěn)定運(yùn)作卻十分不易，這依賴于抑制性神經(jīng)元對(duì)興奮信號(hào)的精準(zhǔn)制動(dòng)。這種動(dòng)態(tài)平衡，不僅防止了癲癇發(fā)作，更維持著精神狀態(tài)穩(wěn)定。
更不要說(shuō)，盡管大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量自我放大的正反饋回路，大腦依然能夠在絕大多數(shù)時(shí)間維持“臨界狀態(tài)”。
與大腦類似，生態(tài)系統(tǒng)、自然氣候系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)也維持著精妙的平衡。然而，復(fù)雜系統(tǒng)也是混亂的，極易受到蝴蝶效應(yīng)的影響，即使微小的擾動(dòng)有時(shí)也能帶來(lái)系統(tǒng)的覆滅。正是這種脆弱性，讓我們不禁思考：
我們是否有可能像控制敏感的復(fù)雜系統(tǒng)一樣控制大腦？
更進(jìn)一步，當(dāng)大腦陷入癲癇、抑郁、精神失常等混亂狀態(tài)（類似于自然界爆發(fā)颶風(fēng)），我們是否有希望通過(guò)某種干預(yù)方式讓大腦回歸平衡？
?插畫：Kouzou Sakai
控制天氣兩步走，止步于半途
在探討大腦是否可控之前，我們不妨來(lái)看看自然氣候這一類似的復(fù)雜系統(tǒng)。假如我們能實(shí)現(xiàn)控制氣候，是否意味著，我們也能以某種方式控制類似復(fù)雜而又混亂的大腦呢？
氣象研究的突破可以追溯到20世紀(jì)早期，研究者們開始構(gòu)建天氣預(yù)報(bào)模型。實(shí)際上，預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)從來(lái)不是研究者們的終極目標(biāo)，控制才是。
在20世紀(jì)40年代，馮·諾依曼（von Neumann）和茲沃里金（Zworyking）找到華盛頓特區(qū)的政府機(jī)構(gòu)尋求資金資助，他們提出了控制氣候的兩步走計(jì)劃，旨在創(chuàng)造一種新型的計(jì)算裝置預(yù)測(cè)天氣，進(jìn)而根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果控制天氣。他們認(rèn)為，“只有精確的、科學(xué)的氣象知識(shí)，才能使有效的天氣控制成為可能”。
?Project Cirrus記錄。該項(xiàng)目于1947年2月28日根據(jù)合同W-36-039-SC-32427（申請(qǐng)EDG 21190）啟動(dòng)，以涵蓋“云粒子和云的改造的研究”（research study of cloud particles and cloud modifications）。圖源：zerogeoengineering.com
在之后的數(shù)十年里，全世界許多研究者都嘗試尋求到控制天氣的方法。例如，美國(guó)政府曾發(fā)起“卷云計(jì)劃”（Project Cirrus），目標(biāo)是破壞颶風(fēng)。在1947年，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)嘗試驅(qū)散一場(chǎng)預(yù)報(bào)會(huì)停留在海上的颶風(fēng)。它們通過(guò)B-17轟炸機(jī)向颶風(fēng)中投放了80公斤干冰，希望以此瓦解颶風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而，結(jié)局不盡如人意，颶風(fēng)未按既定的預(yù)測(cè)軌跡行進(jìn)，而是降落在了佐治亞。后來(lái)，“風(fēng)暴怒號(hào)計(jì)劃”（Project Stormfury）重啟了“卷云計(jì)劃”的想法并堅(jiān)持了數(shù)十年，也未嘗勝果。
?“風(fēng)暴怒號(hào)計(jì)劃”（Project Stormfury）是一項(xiàng)由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）于1962年至1983年開展的颶風(fēng)改造研究項(xiàng)目，旨在通過(guò)向颶風(fēng)眼壁云層外的雨帶播撒碘化銀，促使過(guò)冷水結(jié)冰并釋放潛熱，從而改變颶風(fēng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到削弱颶風(fēng)強(qiáng)度的目的。圖源：weatherwhys.show
時(shí)至今日，馮·諾依曼和茲沃里金的第一步設(shè)想的確實(shí)現(xiàn)了，借助復(fù)雜的計(jì)算機(jī)算法，我們能夠?qū)夂蛴休^為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。但影響甚至控制氣候，我們?nèi)匀粺o(wú)計(jì)可施。
?自1960年代以來(lái)，大西洋盆地颶風(fēng)和熱帶氣旋的路徑預(yù)測(cè)誤差每十年都在減少，其中2020年代的72小時(shí)預(yù)測(cè)誤差已降至80英里以下。圖源：ourworldindata.org
混亂與秩序的分界處：臨界腦假說(shuō)
正如前文所述，與自然氣候類似，大腦也是一種極度復(fù)雜且混亂的系統(tǒng)。如果將氣象研究作為前車之鑒，腦科學(xué)研究理應(yīng)及時(shí)叫停試圖控制大腦的計(jì)劃。畢竟，我們對(duì)于大腦的本質(zhì)還有諸多不了解的地方。
丹麥物理學(xué)家帕·巴克（Per Bak）的“臨界腦理論”（Critical Brain Theory）認(rèn)為，大腦一直處于有序與混亂的臨界狀態(tài)。這項(xiàng)假說(shuō)建立在物理學(xué)相變（如水高溫蒸發(fā)、碳高壓變鉆石）的研究基礎(chǔ)上。在相變過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)的某一參數(shù)（如溫度、壓力）超越臨界點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)整體的性質(zhì)都會(huì)發(fā)生變化。復(fù)雜系統(tǒng)會(huì)時(shí)刻進(jìn)行自我組織，以維持在相變的關(guān)鍵臨界狀態(tài)，即自組織臨界性（Self-Organized Criticality）。
根據(jù)臨界腦假說(shuō)，當(dāng)大腦過(guò)于混亂時(shí)，它無(wú)法發(fā)揮任何作用（像是被注射了鎮(zhèn)定劑）；而當(dāng)大腦過(guò)于有序時(shí)，它也會(huì)什么都做不了（像是癲癇發(fā)作時(shí)）。只有處于混亂和有序的臨界處，大腦才能以一種微妙的平衡完成許多它需要做的事情，能夠靈活地應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)和環(huán)境變化。
?一項(xiàng)研究聚焦臨界動(dòng)力學(xué)在自發(fā)性腦電圖中的作用。研究認(rèn)為，不同麻醉狀態(tài)下的腦電活動(dòng)中，有意識(shí)狀態(tài)（如清醒狀態(tài)和氯胺酮麻醉）為臨界狀態(tài)，而無(wú)意識(shí)狀態(tài)（如丙泊酚或異氟醚麻醉）則偏離臨界狀態(tài)，表現(xiàn)為亞臨界或超臨界狀態(tài)。圖源：https://doi.org/10.1038/s42003-024-06613-8
人工遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)臨界狀態(tài)研究，為此觀點(diǎn)提供了支持。這一研究基于一個(gè)基礎(chǔ)認(rèn)知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)位于臨界狀態(tài)時(shí)，它的表現(xiàn)是最優(yōu)的。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)有序和混亂的程度取決于不同神經(jīng)元之間循環(huán)交互的強(qiáng)度。如果神經(jīng)元之間連接太強(qiáng)，極小的輸入也會(huì)使得許多神經(jīng)元激活，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。如果神經(jīng)元之間連接不足，再?gòu)?qiáng)大的輸入也會(huì)在短暫的傳遞中迅速消退。但是，如果神經(jīng)元連接的數(shù)量、強(qiáng)度恰到好處，那么，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)極為順利地運(yùn)行。
臨界腦假說(shuō)對(duì)于理解大腦本質(zhì)無(wú)疑是具有吸引力的，但該假說(shuō)難以被檢驗(yàn)。理想狀態(tài)下，我們應(yīng)先將大腦重置到相似的初始條件，再觀察其演化過(guò)程。然而，大腦的復(fù)雜性和不可控性使得“重置”無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
因此，研究者們只能尋找大腦符合臨界狀態(tài)特征的蛛絲馬跡。例如，在神經(jīng)元活動(dòng)中，研究者觀察到了類似于雪崩的現(xiàn)象，即神經(jīng)元放電的模式會(huì)表現(xiàn)出冪律分布*（Power Law Distribution）。這意味著小規(guī)模爆發(fā)比大規(guī)模爆發(fā)更常見，這是臨界狀態(tài)的一個(gè)典型特征。
?冪律分布與正態(tài)分布. 圖源：HBR
*冪律分布（Power Law Distribution）是一種統(tǒng)計(jì)分布模式，其中某一變量的頻率與其大小成反比，其關(guān)系可通過(guò)一個(gè)冪律函數(shù)（power-law function）來(lái)描述。這種分布的特點(diǎn)是絕大多數(shù)事件的規(guī)模很小（如大多數(shù)地震強(qiáng)度較低），而只有少數(shù)事件的規(guī)模相當(dāng)大（大地震較為少見），具有“重尾”特性，意味著極端事件的發(fā)生概率比正態(tài)分布預(yù)測(cè)的要高。冪律分布在自然界和人類社會(huì)中廣泛存在，例如城市人口分布、地震強(qiáng)度、互聯(lián)網(wǎng)流量等。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，冪律分布通常呈現(xiàn)為一條直線，這一點(diǎn)是其重要的數(shù)學(xué)特征。
另一方面，神經(jīng)元在受到擾動(dòng)后，其活動(dòng)不會(huì)立即停止，而是像回聲（reverberation）一樣持續(xù)震蕩，某一時(shí)刻的神經(jīng)元活動(dòng)與幾秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間間隔后的活動(dòng)，存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著關(guān)聯(lián)，長(zhǎng)時(shí)程的相關(guān)性這一特點(diǎn)，恰恰是臨界系統(tǒng)的另一特征。但必須承認(rèn)的是，這些特征還無(wú)法作為決定性證據(jù)讓我們坦然接受臨界腦假說(shuō)。
我們是否有希望控制大腦？
假如臨界腦假說(shuō)成立，大腦的確是混沌的或接近臨界狀態(tài)的。那么，這是否也意味著，就像無(wú)法控制天氣一樣，我們也失去了控制、治療大腦功能失調(diào)的希望？
一些研究者認(rèn)為，混沌系統(tǒng)還可以通過(guò)目標(biāo)擾動(dòng)加以控制。例如，持續(xù)注入信號(hào)，或當(dāng)大腦陷入吸引子狀態(tài)*時(shí)添加細(xì)微擾動(dòng)，以此引導(dǎo)系統(tǒng)的行為。想象一下，忽冷忽熱的空調(diào)如果能裝上智能溫控器，監(jiān)測(cè)溫度并自動(dòng)調(diào)節(jié)，那么房間溫度就能穩(wěn)定下來(lái)。對(duì)于大腦，已有一些類似的微調(diào)嘗試。
*吸引子狀態(tài)：混沌系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，類似于小球在凹凸不平的地面上滾動(dòng)時(shí)最終還是會(huì)停在某個(gè)凹陷處，此時(shí)施加微小的力就能將小球推出該凹陷去往其他地方。
例如，醫(yī)生使用腦深部電刺激技術(shù)（DBS或稱”腦起搏器”）來(lái)治療帕金森癥。該技術(shù)通過(guò)植入患者腦中的電極發(fā)送弱電脈沖，以刺激腦內(nèi)控制運(yùn)動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)區(qū)域（類似于推動(dòng)小球的力），以達(dá)到抑制異常腦部活動(dòng)的目的。
但要真正實(shí)現(xiàn)微調(diào)，仍存在巨大挑戰(zhàn)。我們需要構(gòu)建出極其精確的大腦模型以預(yù)測(cè)大腦活動(dòng)，還要掌握高精度的干預(yù)手段。仍以帕金森癥治療為例，在未能完全搞清楚帕金森癥異常信號(hào)涉及的全部腦部區(qū)域前，目前仍只能實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，無(wú)法完全治愈帕金森癥。
?圖源：Bill Domonkos for Quanta Magazine
也有一些研究者從大腦的自我調(diào)節(jié)機(jī)制出發(fā)，當(dāng)癲癇發(fā)作、抑郁和精神病發(fā)作時(shí)，大腦可能進(jìn)入了亞臨界或超臨界狀態(tài)，但這些失序狀態(tài)通常只會(huì)持續(xù)幾分鐘、幾天或數(shù)周，這表明大腦具有強(qiáng)大的內(nèi)部機(jī)制進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。不幸的是，目前我們沒有真的理解大腦自我調(diào)節(jié)的機(jī)制。更好的機(jī)制理解，能帶來(lái)更好的療法或干預(yù)，就像是用來(lái)阻止崩塌的圍欄。
當(dāng)然，答案也可能并非如我們所愿——也許，某些情況下，大腦根本就無(wú)法為人所控制。至少，面對(duì)癲癇、精神病發(fā)作和抑郁癥，我們無(wú)法以治療的方式控制它們。
不同背景的研究者們?cè)趺纯矗?/strong>
觀點(diǎn)梳理
? 威廉·布雷克：神經(jīng)元交互引發(fā)質(zhì)變，但復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制工具不足難以解決。
? 曼利奧·德·多梅尼科：理解大腦的自我調(diào)控機(jī)制，將推動(dòng)系統(tǒng)生物學(xué)與醫(yī)學(xué)發(fā)展。
? 肖爾·德魯克曼：大腦是可以被控制的，但需突破復(fù)雜系統(tǒng)理解的瓶頸。
? 塔蒂亞娜·恩格爾：大腦有自我調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)，真正意義的大腦控制任重道遠(yuǎn)。
? 斯蒂芬妮·瓊斯：建立針對(duì)性的生物物理模型，有助于理解大腦復(fù)雜性。
? 安·肯尼迪：精準(zhǔn)干預(yù)可限制神經(jīng)活動(dòng)軌跡，挑戰(zhàn)在于特異性。
? 伊芙·瑪?shù)拢捍竽X具備多重維穩(wěn)機(jī)制，其韌性源于細(xì)胞與回路參數(shù)的廣泛適應(yīng)性。
? 馬利諾·帕甘：須進(jìn)行定制化大腦構(gòu)建，”精準(zhǔn)”復(fù)現(xiàn)各類腦功能障礙中的個(gè)體差異。
? 斯蒂芬妮·帕爾默：感知覺皮層接近臨界態(tài)，賦予系統(tǒng)對(duì)外界變化的超級(jí)響應(yīng)性。
? 路易斯·佩索雅：大腦的不可控程度遠(yuǎn)低于氣候，大腦-身體系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定可控。
? 卡納卡·拉詹：大腦抑制內(nèi)部混沌，以此維持連貫思維與行為。
? 克里斯托弗·洛澤爾：局部神經(jīng)調(diào)控足以改善癥狀，甚至無(wú)需全腦控制。
? 奧拉夫·斯龐斯：大腦復(fù)雜但可預(yù)測(cè)，絕對(duì)控制存在根本局限。
? 喬治·衫原：動(dòng)力系統(tǒng)理論將揭示大腦全局信息，推動(dòng)認(rèn)知與治療研究。
威廉·布雷克
Wiiliam Bialek
普林斯頓大學(xué)John Archibald Wheeler/Battelle物理學(xué)教授
大腦重要的功能可能是來(lái)源于許多神經(jīng)元之間的交互。“量變引發(fā)質(zhì)變”的觀點(diǎn)意味著，神經(jīng)活動(dòng)可能存在許多無(wú)法預(yù)測(cè)或無(wú)法控制的方式。對(duì)于一塊普通磁鐵，我們只需施加一個(gè)磁場(chǎng)即可影響系統(tǒng)重要的整體模式。但是，即便在早期相對(duì)簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，類似的”磁場(chǎng)”也需要通過(guò)復(fù)雜組合的方式作用于網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)細(xì)胞——激活一些細(xì)胞同時(shí)抑制其他細(xì)胞。我們的確還不具備實(shí)現(xiàn)這種操作的實(shí)驗(yàn)工具。所以，即使擱置臨界性或混沌等更具爭(zhēng)議性的概念，我們已然面臨重大難題了。
曼利奧·德·多梅尼科
Manlio De Domenico
意大利帕多瓦大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)副教授
控制人腦這樣的復(fù)雜系統(tǒng)是一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)。演化的力量以非凡的方式塑造了大腦結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)特征：它通過(guò)尚未被充分理解的機(jī)制，持續(xù)地自我組織以應(yīng)對(duì)內(nèi)外環(huán)境擾動(dòng)。從統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的視角來(lái)看，大腦（以及其它生物系統(tǒng)）如何在糾正局部功能障礙的同時(shí)自我調(diào)節(jié)行為，揭示這一機(jī)制能為系統(tǒng)生物學(xué)與系統(tǒng)醫(yī)學(xué)開辟?gòu)V闊的應(yīng)用前景，開辟更加激動(dòng)人心的未來(lái)。
肖爾·德魯克曼
Shaul Druckmann
斯坦福大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)、
精神病學(xué)與行為科學(xué)副教授
我的直覺（也僅僅是一種直覺）是，大腦是可以被控制的。這里我所說(shuō)的“可控”是指，類似于大腦脫離癲癇狀態(tài)的能力。我的主要依據(jù)是，大腦必須是內(nèi)部可控的，腦區(qū)之間需要進(jìn)行信息的傳遞，這可以是一個(gè)腦區(qū)控制另一個(gè)腦區(qū)的狀態(tài)。其中的內(nèi)在控制與調(diào)節(jié)機(jī)制，正是我所理解的大腦運(yùn)作的核心要素。如果我們能夠介入類似的內(nèi)在調(diào)節(jié)機(jī)制，就有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的控制。
不過(guò)，如何有效利用這種介入途徑，需要我們對(duì)于如何影響復(fù)雜系統(tǒng)有極其精深的理解，這正是當(dāng)前科學(xué)尚未突破的瓶頸。此外，更加精細(xì)的控制（如精確地修正受退行性病變影響而改變的特定部分）還需要更深刻的認(rèn)知突破，其難度與引導(dǎo)而非驅(qū)散颶風(fēng)無(wú)異。
上述問(wèn)題對(duì)于科學(xué)其實(shí)并不陌生，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)控制本就是工程領(lǐng)域的重要研究方向，但工程學(xué)更專注于結(jié)構(gòu)明確的人工系統(tǒng)，而非類似大腦的、由異質(zhì)性單元構(gòu)成的復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)。理解人腦這種復(fù)雜系統(tǒng)，也正是我和許多研究者愿意投入數(shù)十年精力去探索的終極挑戰(zhàn)。
塔蒂亞娜·恩格爾
Tatiana Engel
普林斯頓大學(xué)神經(jīng)科學(xué)助理教授
大腦與氣候的不同在于，前者具有更強(qiáng)的可控潛力。人腦擁有無(wú)限自我組織與自我調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)，持續(xù)不斷地將自身調(diào)節(jié)至高效的運(yùn)作狀態(tài)。這種自我調(diào)控性質(zhì)在所有復(fù)雜的生物系統(tǒng)中普遍存在。
想一想，身體為什么能在各種環(huán)境條件下維持體溫近乎恒定。類似地，從分子水平到大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)層面，大腦也具備全尺度的調(diào)控機(jī)制，能夠感知到偏離常態(tài)的波動(dòng)并自主回歸到正常運(yùn)作狀態(tài)。許多疾病本質(zhì)上是某種自我調(diào)控機(jī)制的失靈。因此，如果我們能夠修復(fù)自我調(diào)控機(jī)制（如使缺失的分子能再度產(chǎn)生），那么被修復(fù)的機(jī)制，將能夠奇跡般地自動(dòng)引導(dǎo)大腦回歸正常狀態(tài)。
雖然這種想法聽起來(lái)很容易，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難，因?yàn)樵S多自我調(diào)控機(jī)制是相互交織的。同一個(gè)分子可能是數(shù)個(gè)自我調(diào)節(jié)循環(huán)的一部分，在試圖修復(fù)其中一個(gè)循環(huán)時(shí)我們可能會(huì)破壞另一個(gè)。
另外，內(nèi)在的補(bǔ)償性機(jī)制可能也會(huì)使得患病的大腦與健康的大腦不同。舉個(gè)例子，當(dāng)某個(gè)腦區(qū)受損時(shí)，其他腦區(qū)可能會(huì)接管它的功能。又或者，當(dāng)某個(gè)腦區(qū)被剝奪了正常運(yùn)作需要的輸入時(shí)，它會(huì)重構(gòu)以具備新的功能，如盲人的視覺皮層會(huì)對(duì)聲音和觸覺產(chǎn)生反應(yīng)。鑒于這些改變，相同的自我調(diào)節(jié)循環(huán)在健康大腦和患病大腦中可能會(huì)扮演不同角色。
盡管技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)能以極高的空間與時(shí)間精度處理大腦，但實(shí)現(xiàn)真正意義上的大腦控制還任重道遠(yuǎn)。
斯蒂芬妮·瓊斯
Stephanie R. Jones
布朗大學(xué)神經(jīng)科學(xué)教授
我并不認(rèn)為大腦復(fù)雜到無(wú)法通過(guò)調(diào)控手段輔助神經(jīng)病理的治療。有許多案例表明，非侵入式的電磁干預(yù)都幫助大腦恢復(fù)常態(tài)。抑郁癥治療領(lǐng)域的突破尤為明顯，通過(guò)規(guī)律的刺激實(shí)現(xiàn)神經(jīng)回路功能重歸正常，實(shí)現(xiàn)癥狀的改善。單脈沖腦刺激與電生理記錄的結(jié)合也被用于測(cè)量昏迷患者神經(jīng)反應(yīng)的復(fù)雜度，這是預(yù)測(cè)患者恢復(fù)的一種方式。
但是，這些干預(yù)手段如何直接影響人腦回路，以及它們是否/何時(shí)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)性的影響，我們對(duì)此的理解還是很有限的。提升認(rèn)知的路徑之一，是針對(duì)細(xì)胞與回路中電磁活動(dòng)的產(chǎn)生構(gòu)建精細(xì)的生物物理模型，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)觀測(cè)模型在不同刺激模式下的反應(yīng)規(guī)律。借助這種方法，我們能更好地理解大腦復(fù)雜性的本質(zhì)，最終用來(lái)設(shè)計(jì)更加高效的大腦刺激范式。
安·肯尼迪
Ann Kennedy
西北大學(xué)理論神經(jīng)科學(xué)助理教授
我并不認(rèn)為“不可預(yù)測(cè)”會(huì)讓我們束手無(wú)策。以著名的洛倫茲系統(tǒng)為例，這個(gè)混沌吸引子最初是為模擬大氣對(duì)流（恰好對(duì)應(yīng)你提到的氣候主題）而建立的數(shù)學(xué)模型。你可以改變系統(tǒng)的三維狀態(tài)變量（x, y, z），也可以調(diào)整三項(xiàng)參數(shù)（σ、ρ、β），這些方法都可以控制系統(tǒng)隨時(shí)間演化的方式。參數(shù)調(diào)整，雖然間接，但更為有力，甚至能完全消除系統(tǒng)的混沌狀態(tài)。雖然，我無(wú)法預(yù)知洛倫茲系統(tǒng)未來(lái)的具體狀態(tài)，但我可以告訴你的是，只要保持系統(tǒng)的三項(xiàng)參數(shù)固定，其狀態(tài)軌跡必然會(huì)被約束在三維空間的極小范圍內(nèi)。
我相信這個(gè)隱喻也適用于大腦：如果我們能開發(fā)出精準(zhǔn)的干預(yù)手段，通過(guò)加速、放緩、放大或抑制特定腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)流，即使我們不能直接控制大腦活動(dòng)，也能顯著地限制這些區(qū)域內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)的軌跡空間。我想這也是許多神經(jīng)調(diào)質(zhì)和神經(jīng)肽在做的：重塑神經(jīng)基質(zhì)以引導(dǎo)神經(jīng)快速興奮與抑制的路徑。
真正的挑戰(zhàn)在于，經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，大腦已形成精密的信號(hào)定位系統(tǒng)，確保特定的調(diào)控分子精準(zhǔn)作用于目標(biāo)基質(zhì)。我們需要理解這些分子在微觀層面的運(yùn)作機(jī)制，才能設(shè)計(jì)出與大腦自身調(diào)控系統(tǒng)具有同等選擇性與特異性的干預(yù)手段，即在宏觀層面能靶向篩選復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的特定功能模塊，在微觀層面也能精確匹配分子靶點(diǎn)。
伊芙·瑪?shù)?/strong>
Eve Marder
布蘭迪斯大學(xué)Victor & Gwendolyn Beinfield生物學(xué)講席教授，
美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士
我對(duì)這些問(wèn)題有非常不同的想法。與其聚焦于患病的大腦或遭受極端干擾的正常大腦會(huì)“崩潰”這件事，我更希望強(qiáng)調(diào)大腦本身具備眾多細(xì)胞和分子層面的維穩(wěn)機(jī)制。
僅僅因?yàn)槟軌蛘T發(fā)大腦的功能失調(diào)，就推斷整個(gè)大腦都處于功能失調(diào)的臨界邊緣，這是不應(yīng)該的。相反，有許多組細(xì)胞和回路的參數(shù)與“足夠良好”的行為是一致的，這使得神經(jīng)回路能夠在參數(shù)空間中搜索而不陷入障礙。也有非常多彼此交織的機(jī)制，支持分子和神經(jīng)元的穩(wěn)定性。
我所在的實(shí)驗(yàn)室研究溫度和其他的極端干擾對(duì)甲殼類動(dòng)物胃神經(jīng)系統(tǒng)的影響。雖然所有動(dòng)物都會(huì)在溫度升到足夠高之后“崩潰”，但它們對(duì)超出日常20攝氏度的溫度波動(dòng)會(huì)表現(xiàn)出驚人的韌性。許多機(jī)制協(xié)同構(gòu)成了這種強(qiáng)大韌性，同理，健康人腦的韌性也是許多機(jī)制共同協(xié)作的結(jié)果。
馬利諾·帕甘
Marino Pagan
愛丁堡大學(xué)生物科學(xué)研究所（SIDB）與認(rèn)知與腦科學(xué)中心（CDBS）首席研究員
與颶風(fēng)的動(dòng)力學(xué)特征不同，大腦動(dòng)態(tài)活動(dòng)受到強(qiáng)大調(diào)控機(jī)制的約束，并在發(fā)育過(guò)程中被精心雕琢以實(shí)現(xiàn)特定功能。這些補(bǔ)償性的力量確保大多數(shù)大腦不會(huì)突發(fā)癲癇，并且，即便面對(duì)病變或基因突變也能維持相對(duì)正常的功能運(yùn)作。我相信，對(duì)于修復(fù)異常的神經(jīng)動(dòng)態(tài)活動(dòng)，更加深入地理解大腦內(nèi)在調(diào)控機(jī)制是關(guān)鍵一步。
不幸的是，不存在完全相同的兩個(gè)大腦，我猜測(cè)，實(shí)現(xiàn)深入理解必須對(duì)個(gè)體大腦特征進(jìn)行定制化的構(gòu)建，并采用“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的方式來(lái)復(fù)現(xiàn)各類腦功能障礙中的個(gè)體差異。但值得期待的是，某些關(guān)鍵機(jī)制或許能在抽象出神經(jīng)回路復(fù)雜性的“潛空間”中得到最佳描述，這樣的高階表征框架將更有利于科學(xué)探索與干預(yù)治療。
斯蒂芬妮·帕爾默
Stephanie Palmer
芝加哥大學(xué)有機(jī)生物學(xué)與解剖學(xué)系、
物理學(xué)系副教授
大腦的初級(jí)加工區(qū)域——負(fù)責(zé)接收和加工外界輸入的感知覺皮層，可能會(huì)在接近臨界態(tài)中收獲最大。這種接近臨界的狀態(tài)賦予了系統(tǒng)對(duì)外界變化的超級(jí)響應(yīng)性。這是大腦主動(dòng)建構(gòu)的結(jié)果，還是由外界輸入驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)物，學(xué)界對(duì)此仍在爭(zhēng)論。但不可否認(rèn)的是，許多感知覺系統(tǒng)中已經(jīng)觀測(cè)到了臨界態(tài)的特征。
至于更深層的大腦結(jié)構(gòu)，我傾向于認(rèn)為神經(jīng)集群可能會(huì)偏離臨界態(tài)（盡管海馬區(qū)作為人類癲癇的溫床是個(gè)例外）；但已經(jīng)明確的是，絕大多數(shù)生物、絕大多數(shù)個(gè)體的大腦在絕大多數(shù)時(shí)間都處于正常狀態(tài)。這可能表明，神經(jīng)系統(tǒng)并非是處于刀鋒的邊緣。
作為一名理論學(xué)者，我期待神經(jīng)編碼的這種特性最終能被理解與解釋，而不僅僅是生物在演化過(guò)程中為各種功能打上補(bǔ)丁的零散集合。當(dāng)然，生物學(xué)無(wú)需迎合理論學(xué)者。但我還是希望，演化過(guò)程中留下了一些可供人類發(fā)現(xiàn)與探索的調(diào)控節(jié)點(diǎn)。
路易斯·佩索雅
Luiz Pessoa
馬里蘭大學(xué)心理學(xué)教授
我認(rèn)為大腦的不可控程度遠(yuǎn)低于氣候！在我看來(lái)，大腦是以高度分布式的、去層極化的（即缺少清晰層級(jí)）模式運(yùn)作的復(fù)雜系統(tǒng)。因?yàn)榇竽X與身體和環(huán)境深度整合，大腦信號(hào)的傳遞極難預(yù)測(cè)。但我不會(huì)因此把大腦視為不可控的系統(tǒng)，因?yàn)榇竽X和生命存在不可分割的鏈接。大腦-身體系統(tǒng)在持續(xù)地自我維持與穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，這使得動(dòng)態(tài)系統(tǒng)始終穩(wěn)定在與生命相容的邊界之中。
卡納卡·拉詹
Kanaka Rajan
哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)副教授
所有認(rèn)知都是動(dòng)態(tài)的，作為認(rèn)知引擎的大腦是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)?；诖笠?guī)模理想化神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)物理特性構(gòu)建的精妙理論（包括我自己構(gòu)建的一些），已然將大腦建構(gòu)為一種混沌系統(tǒng)。
盡管不同于洛倫茲吸引子這種由三個(gè)變量描述的低維系統(tǒng)，大腦的神經(jīng)活動(dòng)也被認(rèn)為與高維混沌更加一致。面對(duì)大腦回路內(nèi)部產(chǎn)生的所有混沌活動(dòng)，人類如何維持連貫的思維與行為？研究發(fā)現(xiàn)，在關(guān)注細(xì)微的感覺輸入時(shí)，神經(jīng)回路能夠主動(dòng)地抑制內(nèi)部產(chǎn)生的混沌。有趣的是，這種機(jī)制（或相變）是先被理論預(yù)言，再通過(guò)多腦區(qū)活動(dòng)記錄所驗(yàn)證。
我認(rèn)為，正是這種抑制內(nèi)部混沌的能力使得我們能夠思考與行為，避免陷入幻覺性意識(shí)渙散與對(duì)輸入信號(hào)或環(huán)境的機(jī)械式反應(yīng)。這正說(shuō)明，大腦混沌并非需要鎮(zhèn)壓的“漏洞”，而是我們能控制的特征。
克里斯托弗·洛澤爾
Christopher Rozell
佐治亞理工學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授
大腦是極其復(fù)雜的系統(tǒng)，（像氣候一樣）或許無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模精準(zhǔn)控制。但這種程度的控制是否必要？類比氣候調(diào)控：我們建造房屋時(shí)通過(guò)局部環(huán)境控制即可維持舒適溫度。臨床實(shí)踐中，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)（如靶向刺激）雖未精確“控制”大腦，卻足以改善震顫、癲癇或抑郁癥狀?？茖W(xué)層面，即便是光遺傳學(xué)的基礎(chǔ)應(yīng)用也產(chǎn)生了深刻洞見。實(shí)證表明，無(wú)需全腦控制也能取得重大臨床與科研進(jìn)展。
奧拉夫·斯龐斯
Olaf Sporns
印第安納大學(xué)心理學(xué)與腦科學(xué)教授
大腦是否屬于可預(yù)測(cè)/可控系統(tǒng)？答案取決于如何定義“預(yù)測(cè)”與“控制”。特定干預(yù)引發(fā)可預(yù)測(cè)效應(yīng)已有諸多例證，神經(jīng)科學(xué)也長(zhǎng)期致力于解析此類因果關(guān)聯(lián)。但隨著認(rèn)知深化，我們意識(shí)到大腦遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單因果系統(tǒng)的集合。
我更傾向?qū)⑵湟暈橛纱罅炕ミB元素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)這些元素激活時(shí)，其狀態(tài)產(chǎn)生量子糾纏式關(guān)聯(lián)，形成高維信息結(jié)構(gòu)（我們剛開始探索這種結(jié)構(gòu)）。大量腦區(qū)元素的集體行動(dòng)形成了支撐認(rèn)知與行為的持續(xù)活動(dòng)流。系統(tǒng)具備一定可預(yù)測(cè)性（如穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、同步模式與降維特征），絕非隨機(jī)系統(tǒng)。
但和所有真正的復(fù)雜系統(tǒng)一樣，大腦預(yù)測(cè)與控制存在根本局限：例如，預(yù)測(cè)大腦未來(lái)的具體狀態(tài)（類比數(shù)周/月的天氣預(yù)報(bào)）因非線性與混沌漲落而注定不可行。對(duì)追求絕對(duì)控制者，這或是不可逾越的障礙。但在我看來(lái)，大腦的復(fù)雜性恰恰開啟了時(shí)空模式無(wú)限創(chuàng)造與重構(gòu)的可能性——我們永遠(yuǎn)無(wú)法預(yù)知它們會(huì)何時(shí)何地顯現(xiàn)。
喬治·衫原
George Sugihara
加州大學(xué)圣地亞哥分校海洋生物學(xué)McQuown自然科學(xué)講席教授
作為生態(tài)學(xué)家與神經(jīng)科學(xué)愛好者，我認(rèn)為動(dòng)力系統(tǒng)理論在此領(lǐng)域極具潛力。預(yù)測(cè)與理解的"魔盒"已然開啟，控制領(lǐng)域亦然：看看近期的研究成果，通過(guò)非線性動(dòng)態(tài)因果檢驗(yàn)（收斂交叉映射法），僅憑靜息態(tài)活動(dòng)即可預(yù)測(cè)靶向腦區(qū)刺激效果，無(wú)需逐個(gè)嘗試就能找出許多可能的大腦刺激電極中誰(shuí)會(huì)產(chǎn)生預(yù)期效果。
這還只是開始，更多研究潛能尚待發(fā)掘。例如，混沌系統(tǒng)（也是非線性系統(tǒng)）的特性在于其組分不可分割——數(shù)學(xué)家稱之為"非分離性"，即無(wú)法獨(dú)立研究單個(gè)組分。這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)性卻帶來(lái)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：因?yàn)檎w非線性與混沌的特征，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的任意局部都蘊(yùn)含全局信息。這使得我們能夠從一個(gè)部分重新創(chuàng)建整個(gè)系統(tǒng)的副本。
生態(tài)學(xué)中，我們借此預(yù)測(cè)鮭魚種群未來(lái)的動(dòng)態(tài)，即便我們沒有測(cè)量所有的因果變量。推及腦科學(xué)，多重系統(tǒng)是可能的，相同信息可能同時(shí)以不同形式被表征——這種多態(tài)表征機(jī)制也許與大腦工作原理深度契合。我期待這樣的動(dòng)力系統(tǒng)方法將在腦認(rèn)知與治療研究中發(fā)揮巨大影響。
編者后記
人類對(duì)大腦的興趣從未消退過(guò)，從神經(jīng)科學(xué)數(shù)十年來(lái)的興盛可見一斑。實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的控制對(duì)于如你我一樣的普通人而言無(wú)疑是極具吸引力的，畢竟是在科幻片中才能看到的情形。但正如許多研究者提到的，大腦還有太多未知的部分，理論與工具層面我們都還不具備將大腦精細(xì)而全面建模的能力。
不過(guò)，這并不會(huì)令人感到沮喪，就像本文作者和克里斯托弗·洛澤爾教授提到的，我們到底需要對(duì)大腦有多大程度的控制？是全腦控制？還是說(shuō)局部控制以實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)地治療如癲癇等疾?。?/strong>
假如是前者，我們要走的路還很長(zhǎng)。但對(duì)于后者，我們還是應(yīng)該保持長(zhǎng)期樂觀主義。例如，至少?gòu)墓ぞ邔用妫┠昴X機(jī)接口技術(shù)已有了極大的發(fā)展，一些病人也的確在腦機(jī)接口技術(shù)的幫助下成功做到了曾經(jīng)無(wú)法想象的運(yùn)動(dòng)或操作。
總而言之，實(shí)現(xiàn)大腦控制，一定會(huì)是全人類持續(xù)傾注心血的長(zhǎng)期事業(yè)。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，我們沒必要為當(dāng)前還做不到終極的理想狀況而失望，至少研究者們?cè)诓粩噙M(jìn)步與突破著。覆蓋全球的氣象監(jiān)測(cè)，也是從一兩個(gè)局部的天文臺(tái)起步的，不是嗎？
原文鏈接：https://www.thetransmitter.org/the-big-picture/is-the-brain-uncontrollable-like-the-weather/
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Chen Institute與華山醫(yī)院、上海市精神衛(wèi)生中心設(shè)立了應(yīng)用神經(jīng)技術(shù)前沿實(shí)驗(yàn)室、人工智能與精神健康前沿實(shí)驗(yàn)室；與加州理工學(xué)院合作成立了加州理工天橋神經(jīng)科學(xué)研究院。
Chen Institute建成了支持腦科學(xué)和人工智能領(lǐng)域研究的生態(tài)系統(tǒng)，項(xiàng)目遍布?xì)W美、亞洲和大洋洲，包括、、、科研型臨床醫(yī)生獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃、、等。
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