Наш мозг постоянно находится на грани хаоса. И это не потому, что вы не успеваете сделать 47 обновлений ноутбука или одержимы этой опечаткой в электронном письме, которое вы отправили своему боссу.
Нет, потому что даже в состоянии вашего максимального дзен ваши 86 миллиардов мозговых клеток ходят по натянутому канату между спокойствием и катастрофой; спокойствие и смятение; порядок и беспорядок. В любой момент они могут превратить домино в катастрофу. Но не нужно паниковать.
Наша Вселенная любит структуру. Она любит порядок.
Однако, как часто говорят физики, наша Вселенная также движется прямо к беспорядку. За исключением нескольких нюансов, закон Мерфи отражает суть: «Все, что может пойти не так, пойдет не так».
Но между этими двумя крайностями у Вселенной есть и третье, еще более интригующее состояние. Системы, которые на цыпочках балансируют между гармонией и беспределом. Горы, грозящие обрушиться лавиной. Фондовый рынок на грани крупного краха. И за последнее десятилетие или около того все больше и больше исследований показали, что наш мозг тоже обитает в этом третьем состоянии.
Изучая разум обезьян, черепах, рыб и, конечно же, людей, ученые проникли в это опасное место. Оно известно как «край хаоса» или, что менее драматично, «критическая точка».
«У вас есть смесь структур, которая исходит из порядка, но также есть своего рода случайность, которая приводит к разнообразию, происходящему со стороны, которая находится в беспорядке», — объясняет Джон Беггс, профессор физики из Университета Индианы.
В то время как некоторые ученые считают, что мозг работает с входными и выходными данными (что-то вроде компьютера), другие, в том числе Беггс, предполагают, что он воспринимает мир, плавно плавая вокруг этой «хаотической» точки. Предположительно, такой поток помогает мозгу выполнять очень важные мозговые функции. Например, в исследовательской статье, опубликованной в прошлом месяце в Physical Review Letters, говорится, что критическая точка предлагает мозгу «желательный компромисс между линейностью, оптимальной для хранения информации, и нелинейностью, необходимой для вычислений».
И когда мозг отклоняется от этой критической точки, говорит Беггс, «это связано с множеством расстройств». Именно поэтому расшифровка секретов мозга на грани хаоса может помочь нам совершить революцию в лечении психических заболеваний.
Изучение так называемой критической точки уже начало менять подход ученых к психиатрии.
«Исследователи обратились к инструментам, основанным на критичности, чтобы улучшить свое понимание распространенных психических состояний, таких как депрессия, шизофрения, тревога, посттравматическое стрессовое расстройство», — пишет Винсент Циммерн, автор статьи 2020 года под названием «Почему критичность мозга имеет клиническое значение: предварительный обзор».
Но прежде чем мы углубимся в это, вот что ваш мозг сейчас делает на границе между порядком и беспорядком.
Допустим, ваш мозг хочет подать вам сигнал, чтобы вы что-то сделали, например, открыли приложение для доставки еды. Он должен передавать информацию по сети клеток мозга, или нейронов, чтобы заставить вас нажать на маленький оранжевый квадратик на вашем телефоне.
Теоретически это можно сделать тремя способами.
Он может посылать сигнал «привет, открой» одновременно более чем одному нейрону. Он может посылать сигнал менее чем одному нейрону за раз. Или он может отправить сигнал одному нейрону за раз. (Попробуйте думать о нейронах как о делимых частях, потому что мы подходим к мозгу скорее с математической точки зрения, чем с биологической.)
Давайте предположим, что ваш мозг использует следующий сценарий. Один нейрон разговаривает с двумя нейронами, которые разговаривают с четырьмя, и так далее, как в поезде сплетен. Вскоре все ваши нейроны будут в состоянии повышенной готовности, или, как выразился Беггс, сеть «очень быстро взорвется».
Это называется сверхкритическим поведением, и обычно это слишком сильная стимуляция. Вы были бы в овердрайве. Ваш мозг был бы настолько перегружен, что начал бы глючить. И на самом деле считается, что сверхкритичность связана с судорогами или эпилепсией.
Хорошо, это недопустимо. А другой сценарий? Один нейрон посылает информацию половине нейрона, который отправляет ее четвертой части… затем восьмой… и сигнал в значительной степени «затухает», говорит Беггс. Это называется докритическим поведением, и оно не будет эффективно передавать сообщение.
Наш последний путь - третий сценарий. Один нейрон делится информацией с одним нейроном, который делится информацией с другим, и сигнал легко идет из точки А в точку Б. Это хорошо. Это называется критическим поведением. Чтобы эффективно передать сообщение через сеть нейронов, наш мозг «предпочитает» третий путь. И первый, и второй пути создают серьезные препятствия для передачи нейронной информации, но третий путь создает что-то вроде сборочной линии нейронов, которая в конечном итоге соединяет разум с внешним миром.
Но помните, как критическую точку еще называют краем хаоса?
Рассмотрим фондовый рынок, который также находится в критической точке.
Всегда одни люди хотят продать, а другие хотят купить. Это почти точно сбалансированная двойственность, поэтому рынки обычно довольно стабильны. Но что, если произойдет что-то катастрофическое, например глобальная пандемия? Или война?
Люди запаникуют и, как согласится большинство финансовых гуру, начнут продавать. Это вызвало бы массовые колебания рынка. Хаотические колебания. «Рыночные обвалы иногда на порядки больше, чем обычно наблюдаемые ежедневные потери», — объясняет Беггс. Думайте об этих «флуктуациях» как о сигнатуре систем на грани хаоса.
Напротив, другие вещи следуют так называемому распределению Гаусса, также известному как стандартная кривая колокола, которая не приводит к этим колебаниям. Человеческий рост — хороший пример чего-то с гауссовым распределением. Если бы нам нужно было нанести на карту рост каждого человека в мире, мы бы не увидели, чтобы кто-то сильно отклонялся от среднего роста. Никаких массовых колебаний.
Из этих двух вариантов мозг, по-видимому, имеет сигнатуру грани хаоса.
Например, когда происходит панический страх перед фильмом ужасов, ваши нейроны могут «паниковать», как инвесторы на фондовом рынке, и колебаться в сверхкритической области. «У вас может быть каскад активности или нейронная лавина, которая может пройти через весь мозг», — сказал Беггс.
Теперь вы можете подумать, почему бы мозгу не предпочесть более спокойный образ жизни по Гауссу? Мир на краю хаоса кажется очень рискованным. Что ж, в балансировании между порядком и беспорядком тоже есть масса преимуществ.
Системы на грани хаоса имеют супер-пупер-ультра-широкий диапазон, в котором можно работать, благодаря всей этой флуктуации.
На фондовых рынках есть шанс сорвать джекпот. А с мозгом «информация может передаваться от одной части мозга к другой… и, возможно, даже проходить через весь мозг», — сказал Беггс.
На самом деле это важно для предупреждения нейронов о необходимости сохранять бдительность в пугающей ситуации или, возможно, для создания новых мозговых связей при изучении языков. Другими словами, мозг может погрузиться в хаос, чтобы помочь нам функционировать в очень очень сложном мире.
Напротив, если бы мозг следовал распределению Гаусса, он был бы как бы ограничен при передаче информации. Он не смог бы достичь нейронов по всему объему во время пугающих ситуаций, чтобы сказать: «Эй, нейроны, включи режим повышенной готовности, что-то должно произойти».
В статье 2009 года Манфред Китцбихлер — нейробиолог из Кембриджского университета и один из первых, кто рассмотрел мозг как находящийся на грани хаоса, — сказал, что критичность «позволяет нам быстро переключаться между психическими состояниями, чтобы реагировать на изменение окружающей среды».
Кроме того, выход из критической точки и переход в субкритическую зону может быть полезен для нашего мозга, когда мы хотим действовать на автопилоте. Хотя ученые до сих пор не совсем уверены, как этот механизм будет работать, Беггс говорит, что «одна из возможностей заключается в том, что если что-то очень хорошо изучено и тщательно отрепетировано, оно передается в некую стереотипную схему, которая просто повторяет свою схему».
Человеческий мозг постоянно подвергается бомбардировке внешними раздражителями, такими как разговоры людей, суетливый уличный шум и даже теплота кофейной чашки. Это означает, что нейроны постоянно включаются и выключаются. Из-за такого потока мозгу нереально все время находиться в идеальной критической точке. Представьте, что вы пытаетесь идти в одиночку по прямой линии, но люди продолжают толкать вас, когда вы делаете шаг вперед. Это как-то так.
Поэтому может возникнуть дополнительный вопрос: что вместо этого делает наш мозг? Как он там работает?
В статье, опубликованной в прошлом году в Physical Review Letters, команда Беггса, возможно, нашла ответ.
Проведя неврологические эксперименты на мышах, они увидели, что если мозг животных не может получить доступ к критической точке, он оптимизирует себя, следуя так называемой линии Уидома, или просто второму лучшему варианту.
Беггс называет это явление «квазикритичностью».
Другие исследователи, изучающие, как мозг работает вблизи критической точки, напротив, предложили неквазикритические решения. Некоторые предполагают, что мозг всегда работает немного ниже критической точки, а другие считают, что он случайным образом перемещается вокруг критической точки.
Но, опираясь на принцип квазикритичности, Беггс начал размышлять о том, испытывает ли мозг людей, страдающих от психических заболеваний, таких как депрессия, проблемы с доступом к этому второстепенному пути.
«Мы осмотрели около 600 пациентов и наметили их различные критические точки», — сказал он. «По тенденциям вы можете определить возраст пациента или пол пациента в зависимости от того, где они находятся рядом с этой областью квазикритичности».
Следовательно, вполне вероятно, что «старение заставляет вас идти в одно место, депрессия — в другое, а эпилепсия — в другое. Но все они могут быть одинаково далеки от критической точки».
То есть необходимы дополнительные исследования, чтобы действительно расшифровать границу хаоса мозга. Тем не менее, Беггс считает, что эти открытия в конечном итоге приведут к инновационным методам лечения.
Например, мы знаем, что мозг как бы отключается на некоторое время после действительно сильного припадка. В этот период у него есть способы вернуться в онлайн, одним из которых является увеличение количества новых подключений. Но помните загадку сверхкритичности, когда слишком много нейронов включаются в режим повышенной готовности, а затем очень быстро «взрывают» сеть?
«Можно подумать, что это хорошо, потому что мозг просто говорит: «Подключи эту штуку еще раз, и мы получим какую-то активность», но когда после припадка эти связи увеличиваются, в следующий раз припадок случается чаще».
Однако, если мы сможем использовать критическую точку, возможно, мы сможем каким-то образом стимулировать мозговую ткань и не дать ей почувствовать, что она находится в состоянии отключения. Вместо этого мозг будет думать, что все в порядке, и поэтому не будет устанавливать все те новые связи, которые могут привести к последующему припадку.
«Если бы вы каким-то образом обманули мозг, чтобы он не образовывал новых связей, — сказал Беггс, — вероятность припадка была бы гораздо меньше».
Прямо сейчас Беггс и его коллеги-исследователи все еще разбираются, как все это работает. Впереди долгий, но плодотворный путь. И если вы дочитали до сюда, прежде всего поздравляю вас.
Во-вторых, я надеюсь, что в следующий раз, когда вы будете в стрессе, если кто-то спросит, как у вас дела, вы ответите: «Я на грани хаоса», и вы совсем не будете драматизировать. Вы будете научно точны.