过于规律,也是不健康的

过于规律,也是不健康的

本文来自微信公众号:一席 (ID:yixiclub),演讲者:崔兴然(东南大学生物科学与医学工程学院副教授),策划:Holiday,剪辑:FH,原文标题:《过于规律也是不健康的,健康是一种介于有序和无序之间的状态》,题图来自:视觉中国

从无序中的有序,看复杂中的规律

大家好,我是崔兴然,来自东南大学生物科学与医学工程学院。

不知道大家平时有没有观察过鱼在水中是怎么游动的。线性几何告诉我们,如果一群鱼要从一个位置游到另外一个位置,那么两点之间直线最短,最佳的方案应该是直接线性游过去,但是实际上在海洋中结队巡游的鱼群并不是线性游动的。

Source:A. Filella et al., Phys. Rev. Lett. (2018)

这是2018年发表在Physical Review Letters上面的一篇文章,它物理建模解释了在海洋中鱼群结队巡游时,会与周围的水流形成非线性的相互作用,形成这么一副非常美丽的动态的画面。

那么什么是非线性作用?我用一个非常简单的民间谚语来解释一下。这个谚语是这样说的,“一个和尚挑水喝,两个和尚抬水喝,三个和尚没有水喝”。

我们假设每个和尚每天挑两桶水,那么三个和尚在一起应该是一天有6桶水,也就是2+2+2=6。但是三个和尚在一起后会产生争吵,每个和尚都觉得自己可以不挑水直接喝水,于是谚语中的三个和尚在一起是没有水喝的。

这个争吵的过程其实是一种非线性的相互作用,这个时候简单的线性叠加关系就不存在了,而结果就变成了2+2+2=0,也就是说如果我只看一个和尚是看不到这个结果的,只有把三个和尚放在一起作为一个整体,才产生了这么一个新的结果,我们叫做涌现性。

基于这样的事实,这样的系统就构成了一个非线性的复杂系统,我们必须要从整体来看这个系统。

伟大的物理学家霍金曾经说过,21世纪将是一个复杂科学的世纪,去年诺贝尔物理奖也授予给了复杂系统,奖励它为人类理解复杂物理系统而取得的开创性贡献,说明诺奖委员会已经意识到了,复杂科学方面的研究对解决我们人类社会的重大问题具有非常重要的意义。

听到这个消息的时候我非常兴奋,因为我们团队所做的研究就是基于复杂系统理论的,而且右边的这位科学家Parisi刚好与我的老师是认识的。

复杂系统如此重要,但很多人对复杂系统这个概念是比较陌生的。其实宇宙中到处都是复杂系统,比如地球的气候系统,它是由大气圈、水圈、冰雪圈、以及岩石圈和生物圈等等相互作用构成的,是一个非常复杂的系统。

再比如说人类的金融市场,它也是一个复杂系统。它不仅受到金融资本的影响,还会受到各种各样其他因素的影响,比如说国家政策、国际政治格局、新冠疫情,甚至是地球气候系统也会对它造成影响。

如果要量化的话,我们说宇宙空间中99.9%的系统都是复杂系统,还剩下0.1%是复杂系统的简化。复杂系统无处不在,构成生命体的细胞、大脑、包括整个生命系统都是一个又一个的复杂系统。

那么以生物系统为例,它其实是有一些规律的,这种规律跟生物系统适应环境的能力有关。我举两个例子,第一个是在19世纪20年代,瑞典物理学家Max Kleiber测量了一系列动物的代谢率,发现了代谢率跟动物身体大小有直接关系。

▲ 横坐标:动物身体的质量,纵坐标:代谢率

从最简单的单细胞动物,到我们常见的像苍蝇、青蛙、海龟这样的冷血动物,一直到我们身边的哺乳动物,像老鼠、猎豹、大象之类的,我们觉得很复杂的生物系统,他们的规律都可以用一个很简单的公式来表示,后来被称为克莱伯定律(Kleiber's Law):

(Y:代谢率;M:体重;b是常数,b=3/4)

另外一个有趣的规律是科学家们发现,哺乳动物一生中心跳次数的数量级大概是10的9次方,也就是10亿次。这里面有两个图,这两个图的横坐标都是所有哺乳动物从出生到自然死亡,一生中心跳的次数。

左边的纵坐标是哺乳动物的体重,右边是它的生命长度。我们可以看到,整个哺乳动物一生中心跳的次数,既不受到体重的影响,也不受到生命长度的影响,真的大概都是10亿次。

人类也在里面,人类的体重居中,寿命是最长的。这些事实告诉我们,复杂的生命系统是存在规律的。那么什么样的系统是健康的系统呢?

我们以人体的自主神经系统为例,什么是自主呢?就是不受个人意志控制。它包含了很多的成分,涉及各个内脏器官,比如说我们的大脑中有,脊柱中有,全身的内脏器官中也有。

其中,最主要的一个是交感神经系统,另一个是副交感神经系统。在这两个系统的控制下,我们的机体才能够发生各种各样的生命活动。

交感神经会在我们身体紧张兴奋的时候起主导作用,比如此刻正在演讲的我。当交感神经系统兴奋的时候,我们会血压升高,心跳加快。

讲到这里有的朋友会想,前面你说一生中心跳的总次数大概是10亿次,那心跳比较快的朋友可能就会有点紧张了。不用担心,当我们副交感神经加强的时候,心跳会慢慢地降下来,血压也会降低。也就是说,健康的生命活动过程中,交感与副交感神经的支配应该处于一个动态的平衡。

人类神经系统的功能其实是生物进化的一个结果。我们的祖先什么时候会启动交感神经呢?基本上是在狩猎的过程中,遇到狮子、老虎追赶的时候,此时需要迅速决定是要跟它战斗还是要逃跑。

随着当今社会发展,我们面对这种急性应激事件的概率已经大大减少了,毕竟走在路上遇到狮子、老虎追赶的机率已经非常少了。而现在的人类处于慢性压力或焦虑状态时,交感神经就会占优势,打破自主神经的平衡。

如果身体长期处于这种不平衡的状态,就容易引发疾病,威胁到我们的健康。

我们团队过去几十年的研究发现,健康的复杂生物系统应该处于动态平衡中,如果偏离这种平衡,就会导致系统的状态和功能受损乃至崩溃。

我们可以用一个比较简单的物理模型来表示,可以看到动态平衡的时候是最健康的,但是当你偏离了这个动态平衡,不管是往哪边偏,我们都是处于一种不健康的状态。

这种倒U型的结构其实在我们日常生活中是非常常见的。早在1908年,有两位心理学家Yerkes和Dodson,他们就通过实验归纳出来了一种法则,用来解释我们的心理压力、工作难度与工作业绩之间的关系。

▲Yerkes-Dodson定律或倒U模型

他们发现心理压力与工作业绩的关系并不是线性的,而是这种倒U型的曲线。也就是说,当我们处于适度的压力强度的时候,才能够得到最好的工作业绩。

这种现象非常常见,可以说我们每个人都身处其中,比如说我作为一个大学老师,我就有很多这种需要平衡的地方:我要考虑短期的满足学校年终KPI考核和长期的科研奋斗目标之间的平衡,同时我作为一个母亲,还要平衡家庭和事业。

那么我们要怎么样找到这些平衡点呢?我想我们可以借助一些现代化的科学的手段,来更好地了解我们人体所处的各种各样的复杂系统。

系统越复杂,组成系统的元素之间的非线性交互作用就会越复杂,这个时候单纯通过去还原系统里面每个元素的结构来了解系统的功能和状态是远远不够的,于是我们就需要用到整体论的思想来思考这个问题。

如果我们把人体作为一个整体的系统,我们无时无刻不在接受外界环境的刺激,这个时候,系统就会有一些输出的信号,每时每刻做出响应,我们可以通过这些输出的信号来代表系统的功能状态。

那么人体的生理系统可以输出哪些信号呢?其实非常多。

比如说从大脑获得的脑电信号,从心脏获得的心电信号,以及在手腕部位测量到的脉搏波信号,还有从心电和脉搏波可以提取出的实时心率信号,甚至是走路的加速度信号,也是身体功能和状态的一种表现。

以大家比较熟悉的实时心率信号为例,图中有四段实时心率信号,为了表示公平,他们在这30分钟的平均心率都是1分钟60次。这其中,有三个人是不健康的,只有一个人是健康的,大家可以猜一下是哪个。

我想很多人可能有答案了,我们来公布一下。有没有人选A?

A是一种严重的心力衰竭。什么样的人会出现A这种心率呢?是装了心脏起搏器的人。你可以看到,这个心率无时无刻都保持在一分钟60次,它没有动。

有的人说A不动,那就应该动一下才健康,所以有人选了C。

C也是一种严重的心率衰竭,是缺血性的心率衰竭。A和C不对,有的人选了D。

D也是不健康的,它是房颤,就是心房颤动。心房乱颤的时候,心率就不受神经系统的控制了。

不知道有没有人选B?

B是健康的,恭喜你。

所以像A和C图中的心率,过于规律有序是不健康的。像D这种过于紊乱的心率也是不健康的,健康是介于有序与无序之间的一种状态。

这个图其实我前两天的时候也问过我的女儿,她刚刚5岁,她一看就说是B,我很惊奇。因为我们一般在很多学术的场合都会问一下,让大家猜,基本上正确率不会超过20%。我就问她,为什么是B?她回答我说,因为B最好看。多么朴素的答案是不是?

我们说人体要适应环境,它会有一些动态的变化,但人体这种维持动态平衡的能力其实不是与生俱来的,也不会一直持续下去。

在我们非常年轻的时候,机体的功能往往非常强,对外界的感知也非常灵敏,这个时候面对外界环境输入的信息我们可以迅速地做出反应。

但是随着年龄的增长,首先我们对外界的感知会慢慢地变弱,不仅感知弱了,感知到之后的输出也弱了,所以就会越来越单调。

举个例子,像有些年龄大的人,足底的末梢神经会变得特别不敏感,于是他走路的时候,对周围环境的感知也会变弱,走路的步态就会非常不稳。

我们大量的研究证实了,人体的生理系统维持动态平衡的能力会随着年龄的增加而下降。

下图中的横坐标是人的年龄,纵坐标是人体维持动态平衡的能力。每一个点代表一个真实的人,他们都是非常健康的人,没有任何疾病。

我们可以看到,人体维持动态平衡的能力大概在六七十岁的时候会急剧下降。

前面这么多的例子都告诉我们,看似无序的复杂系统,其实包含了一些简单的朴素规律,人体各种各样生理信号的输出,其实就是身体传递出来的一个健康报告。

这个时候我们可以借助一些设备,比如说可穿戴设备,来监测这些信号,通过一些算法和技术帮助人们预防一些疾病。

我们知道,在中国的偏远山区医疗资源是明显不足的。可以设想一下,如果有一些简便实用的、不需要专业医生去操作的设备放在那边,普通人受到训练后就可以使用它们,为全村的人作初步的疾病诊断,那不是很好吗?

在这样的理念驱使下,我的老师——哈佛医学院的彭仲康教授带领我们团队研发了这么一套设备,它可以做很多的健康检测,比如说验血、验尿等等,也可以检测很多基础的生命体征。

它可以检测13种疾病,比如说尿路感染、贫血、Ⅱ型糖尿病,包括刚刚说的房颤、还有心率衰竭,以及慢性阻塞性肺病、肺炎、高血压等,它甚至可以拍照看看你有没有皮肤病,还可以放到耳朵里面看看有没有中耳炎。

我们这套设备获得了国际最大的医疗竞赛Tricorder Xprize的奖励,这个竞赛的总奖金是一千万美金。

睡眠监测也是这套设备里的一个功能。我们刚刚说到交感、副交感神经需要维持动态平衡,维持平衡的方法有很多,比如运动,比如睡觉。健康的睡眠是促进副交感神经系统回到平衡状态的一个很好的方法,所以大家要多注意休息。

传统上对睡眠的监测怎么做呢?如果走进医院的睡眠监测室,你会被五花大绑,然后戴上大概20多条线,而且你要尝试在医院里睡觉,总之是非常不方便的。

为了让这个设备放在家里就可以用,我们基于心肺耦合的技术发展了一套算法,也就是说你只要有一个设备能够测量到自己的实时心率,比如说一个非常小的心电贴:

或者是戴上一个手环:

我们就可以判断出自己是清醒、熟睡还是浅睡,甚至是在做梦的状态。

有的人说我不止想要检测睡眠,那你可以24小时都戴着,这样还可以检测你的交感和副交感神经系统的动态变化水平。

我们这套算法做的还可以,所以已经授权给了华为、荣耀、vivo等这些公司。如果你使用它们的手环的话,里面健康睡眠的功能就是我们做的。

随着现代社会的发展,人们不仅关心自己的生理健康,也对精神心理健康提出了更高的需求。那么这就需要我们通过测量大脑的脑电信号,去获得大脑的状态。

传统测量脑电信号时,被测人需要戴上脑电帽,非常复杂,而且需要专业人士操作。

同样地,为了解决这个问题,我们也开发了像下图中这样的可穿戴脑电设备,你只要戴上它就可以了,甚至可以到处去走动都没有关系,十分方便。

▲Sensors 2022, 22(5)

它可以做什么呢?比如对多动症儿童注意力的评测、对抑郁的评测、情绪问题的识别等等。那么通过这些,真的可以预防精神疾病吗?我们来看下面这个例子。

这个实验中有一名躁郁症患者和一名健康人。什么是躁郁症呢?就是狂躁加抑郁,也称为双相情感障碍,这样的患者在生活中是非常多的。

研究人员给了他们一个量表,每天让他们记录自己今天的心情是怎么样的,从1分到10分,连续记录两年的时间。然后你就可以看到躁郁症患者的情绪要不然是非常高,要不然是非常低,处于中间的时候很少。

▲Source:Gottschalk A et al. Arch Gen Psychiatry (1995)

但是健康人就不一样了,他可能今天心情是2.3分,明天是7.8分,他会觉得1到10不够,要描述得更细致一点,你可以看到情绪的动态变化是有很多规律的,而且不会像躁郁症患者的心情分数那么单调。

精神科的医生们多年来总结发现,各种各样的精神疾病患者,无论是他们的个性、行为还是认知情绪,一般都是朝两个极端发展。

一种是特别有序,比如说强迫症、冷漠、妄想症等等,令一种就是行为特别杂乱,像冲动型人格障碍、狂躁虚构等等。

▲Source:Yang AC, Tsai SJ. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry (2012)

所以我们就发现,不管是生理上还是精神上,我们的系统都需要维持一个动态的平衡。

那这种动态的平衡可否去量化呢?我们可否量化“健康”呢?也就是说我能不能得到一个数值去描述现在离平衡到底有多远,到底是处于一个什么状态呢?我的老师彭仲康教授很早的时候就提出了一种算法,这个算法我们也发表在了物理界的顶刊Physical Review Letters上面。

如果大家还记得刚才那几个心电图,特别有序的是心衰的患者,特别无序的那个是房颤患者。当我们要量化一下它们的状态,我们要怎么做?

如果我从不同的时间尺度来看健康人的心率的话,不难看出在每个尺度上,它的心率都有所不同。但是对于心率过分有序和无序的患者,我们可以看到,不管尺度怎么变,它的心率好像都差不多。

所以这种量化“健康”的算法就是,我们从不同的时间尺度来看这个时间序列的混乱程度。其中,横坐标是时间尺度,纵坐标是样本熵,代表时间序列的混乱程度。

▲ Source:Phys Rev Lett 2002;89:068102

我们先来看特别无序的实时心率(AF),当我用最原始的时间尺度来看时,它是非常混乱的,但是当我随着时间尺度慢慢增加的时候,它会慢慢降下来。

对于特别规律的实时心率而言(CHF),不管用哪一个时间尺度去看,它自始至终混乱度都是非常低的。

而绿色的那条线代表的是健康人,可以看出它是特别平稳的,在不同的时间尺度上都保持了维持动态平衡的这种能力。

当我们把这个算法应用到脑电上面时,就发现了一个非常有趣的现象——抑郁症患者的脑电复杂度是失衡的。

图中黑色的线是我们分析健康人的脑电信号得到的结果,红色的线代表的是抑郁症患者的分析结果。

如果以这个红色的虚线隔开的话,你会发现抑郁症患者的动态复杂度曲线在小尺度上混乱度是升高的,右边大尺度时它的混乱度是下降的,相对于健康的人,整条曲线呈现出一种倾斜、失衡的状态。

现在是用曲线来分析,如果我们再把它继续量化一下,用数值来表示:

我们就会看到,健康人的值会落在对角线的上边,但是抑郁症患者的值会往下移,整个偏离了平衡。

我们用了大量的数据去验证这个结论,包括马来西亚、美国、中国的抑郁症数据库,都发现了一样的趋势,而且抑郁越严重,这种偏离、失衡的程度也越严重。

知道了这些有什么用呢?也就是说,如果我们能够比较早的时候就发现这个人偏离了平衡的情况,是可以给他一些干预治疗的。比如说在抑郁发展不是特别严重的时候,就使用一些非药物的手段去控制住,很常见的方法比如像运动,像冥想,甚至是音乐治疗,都可以有很好的作用。

很多科学研究都发现音乐能促进大脑状态恢复平衡,这里面主要有三个理论机制:一个是音乐可以促进神经的激活和重塑,第二个是音乐可以激活奖赏和情感的网络,以及音乐可以激活备用的神经网络。

▲ Source:RJ Zatorre, et al. Nat. Rev. Neurosci. (2007)

图中这个人在拉小提琴,拉小提琴的过程其实锻炼了我们很多的脑网络,在这个过程有很多的脑区都参与了,同时我们的手,我们的眼,我们的耳朵,跟这个提琴其实是组成了一个非线性的复杂系统。

音乐治疗在抑郁症和其他精神疾病的治疗中,已经被国家认可并写入了治疗的标准里面。但是它存在一个很大的问题,就是很明显的个性化差异,有的人有效,有的人无效。

我们实验室在进行音乐治疗的同时,会借助我们开发的可穿戴设备,记录患者的脑电、心电等等生理信号,这样就可以得知在治疗的过程中,他的整个身体系统状态是怎么样的。这个时候我们实时地调整音乐,然后使整个人朝着健康的方向去恢复平衡。

我们运用这么多手段,做了这么多的分析,有什么用呢?

大家都觉得美国医疗很发达,但其实医疗已经成为他们国家的一个非常大的负担,当今美国医疗的支出已经接近GDP的20%了。中国的医疗应该建立自己的模式。

我们认为中国的医疗未来应该有一个大的趋势,首先将会从以疾病为中心转向以健康为中心,这个健康包含了生理上、心理上,甚至是周围环境的各种各样的健康,也就是我们常说的大健康。

此外我们对待疾病的方式,将以治疗为主转化为以预防与管理为主,然后把疾病干预的地点由医院转到社区与家庭。在这个过程中,我们刚刚提到的那些理论就会起到一个很重要的作用。

中国现在医院人满为患,其实医院的设立本质上应该用来治疗疑难杂症,而对于预防与管理,其实我们是可以放在家庭与社区的,那么这时各种可穿戴的设备就会起到一些比较重要的作用。

比如说我们借助一些可穿戴设备就能够了解到此刻你是处于什么状态,如果偏离了正常的情况,那么就有可能是进入亚健康甚至是疾病状态。如果在进入疾病之前,比如说亚健康状态的时候,我们就可以检测出来,这个时候我们就可以提前介入去干预它。

其实当代的人们,包括我们在座的很多朋友,对于大健康的概念已经非常接受了,所以大家都在用非常健康的生活方式管理自己,但是大家往往容易习惯于用线性思维来解读我们人体、以及环境这种非线性复杂系统输出的信息。

我们每个人生而不同,有的人免疫系统强一点,有的人抗压能力弱一点,有的人是少年得志,有的人大器晚成,所以我建议大家今后多用一些复杂科学和非线性的思维去看待我们的人生,管理好我们的身心健康,祝大家生活幸福!

在最后我想借一席的平台以及这个机会,感谢我的老师彭仲康教授,感谢我的工作单位,东南大学生物科学与医学工程学院,以及我可爱的学生们和一直支持我们的合作单位。

谢谢大家。

本文来自微信公众号:一席 (ID:yixiclub),演讲者:崔兴然(东南大学生物科学与医学工程学院副教授),策划:Holiday,剪辑:FH

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英雄所见略同

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