睡眠是一种基本需求，就像食物或水一样。“没有它你就会死，”圣路易斯华盛顿大学生物学助理教授基思·亨根说。但睡眠到底能起到什么作用呢？多年来，最好的研究人员可以说，睡眠可以减少困倦——这对于生活的基本要求来说，很难说是一个令人满意的解释。

但通过融合物理学和生物学领域的概念，亨根和一组艺术与科学研究人员构建了一种理论，可以解释睡眠的意义和大脑的复杂性。正如发表在《自然神经科学》上的一项新研究报道，他们跟踪了睡眠老鼠的大脑活动，以证明大脑需要定期重置其操作系统以达到“临界”，这是一种优化思维和处理的状态。

“大脑就像一台生物计算机，”亨根说。“醒来时的记忆和经验一点一点地改变代码，慢慢地将更大的系统拉离理想状态。睡眠的中心目的是恢复最佳的计算状态。”

这篇论文的共同作者包括物理学教授拉尔夫·韦塞尔 (Ralf Wessel)；Yifan Xu，神经科学生物学研究生；艾丹·施奈德 (Aidan Schneider) 是计算与系统生物学项目的研究生，均为艺术与科学专业。

韦塞尔表示，三十多年来，物理学家一直在思考临界性，但他们从未想到这项工作会影响睡眠。在物理学领域，临界性描述了一个存在于有序与混沌之间临界点的复杂系统。“在一个极端，一切都是完全规则的。在另一个极端，一切都是随机的，”韦塞尔说。

临界性最大化了信息的编码和处理，使其成为神经生物学一般原理的有吸引力的候选者。在 2019 年的一项研究中，亨根和韦塞尔证实，大脑会积极工作以维持关键性。

在这篇新论文中，研究小组首次提供了睡眠可以恢复大脑计算能力的直接证据。这与长期以来的假设截然不同，即睡眠必须以某种方式补充清醒时耗尽的神秘和未知的化学物质。

在 2019 年的论文发表后，亨根和韦塞尔提出了这样的理论：学习、思考和清醒必须让大脑远离临界状态，而睡眠正是重置系统的最佳位置。“我们意识到这将是对睡眠核心目的的一个非常酷且直观的解释，”亨根说。“睡眠是系统级问题的系统级解决方案。”

大脑级联

为了检验他们关于睡眠关键性作用的理论，研究人员追踪了幼鼠在正常睡眠和醒来时大脑中许多神经元的峰值。“你可以通过神经网络跟踪这些小级联活动，”亨根说。

他说这些级联，也称为神经雪崩，反映了信息如何流经大脑。“在临界点，各种规模和持续时间的雪崩都可能发生。远离临界点，系统会偏向于仅发生小雪崩或仅发生大雪崩。这类似于写一本书却只能使用短或长的单词。”

正如预测的那样，刚刚从恢复性睡眠中醒来的老鼠身上发生了各种规模的雪崩。在醒来的过程中，瀑布开始变得越来越小。研究人员发现，他们可以通过追踪雪崩的分布来预测老鼠何时将要入睡或醒来。当级联大小减小到一定程度时，睡眠就离我们不远了。

亨根说：“结果表明，每个清醒的时刻都会使相关的大脑回路远离临界状态，而睡眠有助于大脑重置。”

物理学遇上生物学

当物理学家在 20 世纪 80 年代末首次提出临界性概念时，他们正在观察棋盘状网格上的沙堆，这种场景似乎与大脑相去甚远。

但韦塞尔说，这些沙堆提供了重要的见解。如果按照简单的规则将数千粒谷物扔到网格上，这些谷物堆很快就会达到临界状态，有趣的事情开始发生。大大小小的雪崩可能会在没有任何警告的情况下发生，一个方格中的雪堆开始溢出到其他方格中。“整个系统将自身组织成极其复杂的东西，”他说。

韦塞尔说，大脑中发生的神经雪崩很像网格上沙子的雪崩。在每种情况下，级联都是系统达到最复杂状态的标志。

根据亨根的说法，每个神经元就像一粒沙子，遵循非常基本的规则。神经元本质上是开关，根据简单的输入决定是否触发。如果数十亿个神经元能够达到临界点——太多秩序和太多混乱之间的最佳点——它们就可以一起工作，形成复杂而奇妙的东西。“关键性最大化了一系列听起来非常适合大脑的功能，”亨根说。

这项新研究是一项多学科的努力。Hengen、Xu 和 Schneider 设计了实验并提供了数据，而 Wessel 则加入了团队，在临界性框架内实现了理解睡眠所需的数学方程。“这是物理学和生物学之间的美妙合作，”韦塞尔说。