自组织临界性与意识
越来越多的证据表明，大脑局部活动紊乱，如沙堆的崩塌，有助于使整个系统的处于比较好的平衡状况。
原文链接：A Fundamental Theory to Model the Mind
十年前的一个物理思想启示，大脑局部的无序活动有助于整个大脑系统处于健康的平衡，相关证据越来越多。
1999年，丹麦物理学家 皮尔·巴克(Per Bak) 对一群神经学家说，给他10分钟，他就能讲清楚，神经科学是不是误入歧途了。Bak 称，大脑可能不是神经学家想得那么复杂，大脑的基本原理可能和简单的沙堆所服从的基本原理是一样的。沙堆会发生各种大小的坍塌，以使整个系统保持总体稳定，Bak 以“自组织临界性”一词描述此过程。
皮尔·巴克(Per Bak)（1948-2012），丹麦物理学家，复杂系统研究的开创者之一，提出了“自组织临界性”概念。
尽管其他领域的科学家推崇敢于大胆假设、无所不知的物理学家，但 Bak 的大胆想法——大脑的有序复杂性和思考能力是从神经元的无序电活动中自发产生的——没有被立即接受。
但是随着时间的推移，Bak 的激进想法经历种种赞成和反对，逐渐成为大家能接受的科学叙事。现在全世界约有150位科学家研究所谓的大脑临界现象，仅2013年就举行了至少3个这个主题的学术会议。目前学术界正在努力来办一份专门期刊。这都表明这个领域正在从边沿走入主流。
我们又怎能知道世界不是由砂粒的陨坠所形成的呢？
——雨果《悲惨世界》
在1980年代，Bak 开始研究自然界中精致的秩序如何从物质结构单元的无序混合中产生出来的。他从相变中找到了一个答案。相变就是物质从一种均匀状态（称为相）到另一种均匀状态的过程。相变可以是突变，比如水的汽化。相变也可以是连续的，比如材料变得具有超导电性。相变发生的时刻称为临界点，即物质处于两相无法区分的状态。
经典相变需要精确调节，比如水的汽化，温度和压强必须都达到合适的值，水才会达到临界点。但是Bak提出一种方法，系统组成单元之间通过简单的局域的相互作用就能使系统自发达到临界点，因此称为自组织临界性。
考虑沙子从从沙漏顶部滑落到底部，一粒挨一粒，沙子累积起来，越来越大的沙堆在某一刻会变得极端不稳，再落一颗沙子就会使沙堆像雪崩一样坍塌。坍塌发生后，沙堆底部会变宽，沙子又可以向上累积了，直到沙堆再次达到临界点，发生坍塌。通过一系列规模不等的坍塌，沙堆——数百万颗沙子组成的复杂系统——保持了整体的稳定性。
这些小的失稳保持了沙堆的稳定，听起来好像很矛盾，但是沙堆一旦达到临界点，就没有办法预言，下一颗沙子是否会导致沙堆崩塌，也不能预言崩塌规模会有多大。能确定无疑的事情是，规模越小的坍塌发生的频率越高，遵循幂律分布（后文有解释）。
Bak于1987年在一篇具有里程碑意义的论文里提出自组织临界性概念，这篇论文是过去30年引用高的论文之一。Bak 自那时开始研究各种体系的高频小坍塌的维稳作用。1996年他出了一本书《大自然如何工作》（华中师范大学出版社中文版），在这本书里，他把自组织临界性这个概念从简单的沙堆推广至各种复杂系统:地震、金融市场、交通阻塞、生物进化、星系分布，还有大脑。Bak 假设，大部分时间里，大脑都处于发生相变的边缘，徘徊在有序和无序之间。
《大自然如何工作》中文版封面
大脑是一部超级复杂的机器，含有数百亿神经元，每个神经元都与几千个神经元相连接，神经元之间的相互作用产生一种涌现过程，我们称之为“思考”。根据Bak的观点，脑细胞的电活动就像沙堆中的沙子，在平静状态和崩塌状态之间往复变化，大脑总是惊险地平衡在临界点上。
更深入理解临界动力学会有助于搞清楚大脑病变的时候里面发生了什么。自组织临界性有望成为一个统一的理论框架。根据神经生理学家Dante Chilavo的说法，当前神经科学里的大部分模型没有可重复性，只能用于单个实验，换个实验就得重新设置参数，或者换模型。
自组织临界性在直觉上很有吸引力。但是一个好的科学理论只优雅漂亮是不够的。Bak的观念也受到诸多批评，一部分批评理由是，他的方法推广得太远了，很牵强，他纵横各学科，并没有看到新奇的事情，只是用自组织临界性这个概念把森林火灾、麻疹、宇宙大尺度结构杂糅在一起。Bak性格桀骜，更使他不受批评者所喜。但是加拿大圆周理论物理研究所的物理学家Lee Smolin说Bak的性格不是傲慢无礼，而是孩子般单纯。2002年Bak去世时，Smolin在一篇回忆文章里写到:“他只会一条道走到黑。科学不易，但我们只能说自己所想。”
但是 Bak 也有很多同道中人，为他的思想提供肥沃土壤。现在供职于加州大学洛杉矶分校和阿根廷国家科学技术研究理事会的 Chilavo 在1990年左右与Bak相识于布鲁克海文国家实验室，被 Bak 说服，相信自组织临界性可以解释大脑的活动。他也同样遇到相当大的阻力，Chialvo说:“我们只能忍受批评，因为我们没有足够多的数据。”美国国立精神卫生研究所 Dietmar Plenz 回忆道，当时用自组织临界性的观念去研究神经科学是不可能获得资助的，因为缺乏实验证据。
但是自2003年以后，从皮层组织切片研究到记录神经元相互作用的脑电图，到大尺度研究如计算机模型预测与功能磁共振成像（fMRI）数据对照，越来越多的证据显示，大脑具有临界性诸多关键性质。“现在这个领域已经很成熟，能面对任何公正的批评”，Chialvo表示。
Bak的沙堆模型最早的实验验证研究之一是奥斯陆大学物理系于1992年进行的。物理学家把米堆放在玻璃板之间，一次加一粒米，用摄像机记录米堆坍塌过程。他们发现，细长颗粒组成的米堆的行为与 Bak 的简单模型类似。
尤其值得注意的是，越小规模的坍塌发生的频率越高，并按幂律分布，与理论预言一致。就是说，在给定的时间窗口，如果10个颗粒参与的坍塌发生了100次，那么有100个颗粒参与的坍塌会发生10次，有1000个颗粒参与的坍塌只会发生1次。同样的模式出现在地震和余震现象中。如果6级地震一年发生100次，那么7级地震会发生10次，8级地震只有1次。
Chialvo 认为，自组织临界性为神经学家提供了一个更广泛的、更基本的理论，就像前述那些物理复杂系统一样。
十年后，Plenz 与同事 John Beggs 观察到切片中的神经元的电活动表现出与沙堆坍塌一样的模式。这是大脑按自组织临界性方式运转的第一个关键证据。Plenz 说:“没有人相信大脑会发生这样的事情，令人惊奇的是，事情就这样发生了。”更进一步的证据来自脑磁图（MEG）研究和 Chialvo 的工作，他对照了计算机模拟和休眠状态大脑的fMRI数据，表明大脑确实表现出了崩塌动力学的行为。
也许这些结果并不奇怪，没有临界点就没有相变，没有相变，复杂系统——如Bak的沙堆、大脑等——就不能做到自适应。因此崩塌只会发生在临界点处，这是无序和有序达到完美平衡的“甜蜜点”。（甜蜜点:(球拍、球棒等上的)最佳(或最有效)击球点）大脑里类似崩塌的现象一般发生在正常休眠状态下。崩塌可能是复杂系统出现“锁相”的机制，即避免陷入到两种极端情况之一。一种极端情况是，体系高度有序，比如癫痫，系统组成单元之间的相互作用非常强而僵化，不再去适应变化的环境。另一种极端情况是，体系高度无序，神经元之间几乎不再通信，大脑里也没有太多长程的连接，信息不再能高效传递，这种情况下，大脑也同样不能适应环境变化。
印第安纳大学认知神经科学家 Olaf Sporns 说，复杂系统“徘徊于无聊的随机性和无聊的规律性”之间，却具有惊人的总体稳定性。他说:“无聊很糟，”至少对临界系统而言，很糟。事实上，加利福尼亚大学戴维斯分校的复杂系统科学家 Raissa D'Souza 去年做了一个一般的复杂系统的计算机模拟工作，她说，“如果你试图避免引起崩塌，结果最后还是发生了，那很可能是一个规模比较大的崩塌。如果你不断制造崩塌，你耗尽能量，最后却不会发生大规模的崩塌。”
D'Souza 的工作将复杂系统动力学应用于电网断电研究。大脑正常运转也需要足够的序，但是也需要足够灵活，以适应环境变化。Chialvo 说：“这可能是大脑具有自组织临界性特征的一个原因:这具有进化优势。不在临界状态下的大脑，要么每分每秒只做一件事，要么胡乱地随机做事。这是白痴的大脑。”
从左至右：Kim Christensen, Dante Chialvo, Per Bak and Zeev Olami，1990年代初，在美国布鲁克海文国家实验室。
当大脑偏离临界态的时候，信息不再高效地能浸渗整个大脑。一项尚未发表的关于睡眠剥夺研究中，受试者连续36小时保持清醒，然后接受反应时间测试，同时通过脑电图记录脑活动情况。受试者睡眠越少，大脑偏离临界平衡态越远，测试得分越差。
另一项研究收集了癫痫患者发病期间的数据。脑电图记录显示，临界崩塌指征都消失了。神经元之间的同步过度，信息处理失败，病人失去意识，什么都记不住，直到恢复如常。
Chialvo 认为自组织临界性为神经科学家提供了一个更广泛，更基本的理论，如物理学中那些复杂系统一样。他相信自组织临界性可以用来模拟所有可能的状态的意识：清醒、睡眠、麻醉、癫痫发作、迷幻药物起效，等等。
随着神经科学越来越深入到大数据世界，自组织临界性就显得越发重要。最新的先进成像技术能够以惊人的分辨率给出突触图和监测大脑活动，相应的数据也爆炸式增长。人脑连接组计划和使用先进革新型神经技术的人脑研究（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN）获得几十亿美元的拨款，前者目标是获得神经通路的网络图，后者致力于开发新的技术工具，记录细胞发出的信号。其他大科学项目还有欧洲的人脑计划（全人脑超级计算机模拟）和中国的脑网络组计划（整合大脑分层复杂网络在各层级上的数据）。
2011年，Dante Chialvo 接受西班牙世界报采访。
但是，如果没有一个基本的理论，将难以整合数据背后所有潜在的见解。 Sporns 说“构建大脑中的各种图是很有意义的工作，把大脑各片段编目，找到他们之间的联系，也是很有意义的工作，前提是你不能脱离以下事实，即你用于作图的大脑要在工作状态下，大脑是一个集成的系统，并一直处于动态变化中“。
Chialvo 说:“大脑的结构——谁与谁连接的精确图——本身几乎可以说是无关紧要的，”或者更确切地说，对于破译意识和行为之谜是必要不充分的。他拿洛杉矶街区地图来打比方，给你一张街区地图，包含各种尺度的详尽信息，从私家车道到高速公路，应有尽有。地图只会告诉你城市各部分是怎么连接的，无法帮你预言，各条路上交通是怎么样的，何时何处可能会出现堵塞。地图是静态的，交通是动态的。大脑活动与此同理。Chialvo 还说，研究者最近证明，交通动力学和大脑动力学都表现出临界性。
Sporns 强调，大脑中自组织临界现象还有待进一步观察确认，除了大脑动力学中的幂律，还需要找更多的证据。自组织临界理论目前还有一个很大的缺陷，它不能从神经生物学机制——神经元在局部和分布式神经回路中的信号传递——说明临界性临界性是如何产生的。但是他承认他乐见此理论取得成功，他说“这个理论非常合理，如果你要设计一个大脑，你很可能会让脑浆子有临界性。当然，我看好临界性理论是经验使然。”