大家好，我是崔興然，來自東南大學生物科學與醫學工程學院。
不知道大家平時有沒有觀察過魚在水中是怎麼遊動的。線性幾何告訴我們，如果一群魚要從一個位置游到另外一個位置，那麼兩點之間直線最短，最佳的方案應該是直接線性游過去，但是實際上在海洋中結隊巡遊的魚群並不是線性遊動的。
Source:A. Filella et al., Phys. Rev. Lett. (2018)
這是2018年發表在Physical Review Letters上面的一篇文章，它物理建模解釋了在海洋中魚群結隊巡遊時，會與周圍的水流形成非線性的相互作用，形成這麼一副非常美麗的動態的畫面。
那麼什麼是非線性作用？我用一個非常簡單的民間諺語來解釋一下。這個諺語是這樣說的，「一個和尚挑水喝，兩個和尚抬水喝，三個和尚沒有水喝」。
我們假設每個和尚每天挑兩桶水，那麼三個和尚在一起應該是一天有6桶水，也就是2+2+2=6。但是三個和尚在一起後會產生爭吵，每個和尚都覺得自己可以不挑水直接喝水，於是諺語中的三個和尚在一起是沒有水喝的。
這個爭吵的過程其實是一種非線性的相互作用，這個時候簡單的線性疊加關係就不存在了，而結果就變成了2+2+2=0，也就是說如果我只看一個和尚是看不到這個結果的，只有把三個和尚放在一起作為一個整體，才產生了這麼一個新的結果，我們叫做湧現性。
基於這樣的事實，這樣的系統就構成了一個非線性的複雜系統，我們必須要從整體來看這個系統。
文丨崔興然 東南大學生物科學與醫學工程學院副教授
本文轉載自微信公眾號「一席」（ID：yixiclub），原文首發於2022年9月22日，原標題為《過於規律也是不健康的，健康是一種介於有序和無序之間的狀態｜崔興然 一席第930位講者》，不代表瞭望智庫觀點。
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偉大的物理學家霍金曾經說過，21世紀將是一個複雜科學的世紀，去年諾貝爾物理獎也授予給了複雜系統，獎勵它為人類理解複雜物理系統而取得的開創性貢獻，說明諾獎委員會已經意識到了，複雜科學方面的研究對解決我們人類社會的重大問題具有非常重要的意義。
聽到這個消息的時候我非常興奮，因為我們團隊所做的研究就是基於複雜系統理論的，而且右邊的這位科學家Parisi剛好與我的老師是認識的。
複雜系統如此重要，但很多人對複雜系統這個概念是比較陌生的。其實宇宙中到處都是複雜系統，比如地球的氣候系統，它是由大氣圈、水圈、冰雪圈、以及岩石圈和生物圈等等相互作用構成的，是一個非常複雜的系統。
再比如說人類的金融市場，它也是一個複雜系統。它不僅受到金融資本的影響，還會受到各種各樣其他因素的影響，比如說國家政策、國際政治格局、新冠肺炎疫情，甚至是地球氣候系統也會對它造成影響。
如果要量化的話，我們說宇宙空間中99.9%的系統都是複雜系統，還剩下0.1%是複雜系統的簡化。複雜系統無處不在，構成生命體的細胞、大腦、包括整個生命系統都是一個又一個的複雜系統。
那麼以生物系統為例，它其實是有一些規律的，這種規律跟生物系統適應環境的能力有關。我舉兩個例子，第一個是在19世紀20年代，瑞典物理學家Max Kleiber測量了一系列動物的代謝率，發現了代謝率跟動物身體大小有直接關係。
橫坐標：動物身體的質量，縱坐標：代謝率
從最簡單的單細胞動物，到我們常見的像蒼蠅、青蛙、海龜這樣的冷血動物，一直到我們身邊的哺乳動物，像老鼠、獵豹、大象之類的，我們覺得很複雜的生物系統，他們的規律都可以用一個很簡單的公式來表示，後來被稱為克萊伯定律（Kleiber's Law）:
（Y：代謝率；M：體重；b是常數，b=3/4）
另外一個有趣的規律是科學家們發現，哺乳動物一生中心跳次數的數量級大概是10的9次方，也就是10億次。這裡面有兩個圖，這兩個圖的橫坐標都是所有哺乳動物從出生到自然死亡，一生中心跳的次數。
左邊的縱坐標是哺乳動物的體重，右邊是它的生命長度。我們可以看到，整個哺乳動物一生中心跳的次數，既不受到體重的影響，也不受到生命長度的影響，真的大概都是10億次。
人類也在裡面，人類的體重居中，壽命是最長的。這些事實告訴我們，複雜的生命系統是存在規律的。那麼什麼樣的系統是健康的系統呢？
我們以人體的自主神經系統為例，什麼是自主呢？就是不受個人意志控制。它包含了很多的成分，涉及各個內臟器官，比如說我們的大腦中有，脊柱中有，全身的內臟器官中也有。
其中，最主要的一個是交感神經系統，另一個是副交感神經系統。在這兩個系統的控制下，我們的機體才能夠發生各種各樣的生命活動。
交感神經會在我們身體緊張興奮的時候起主導作用，比如此刻正在演講的我。當交感神經系統興奮的時候，我們會血壓升高，心跳加快。
講到這裡有的朋友會想，前面你說一生中心跳的總次數大概是10億次，那心跳比較快的朋友可能就會有點緊張了。不用擔心，當我們副交感神經加強的時候，心跳會慢慢地降下來，血壓也會降低。也就是說，健康的生命活動過程中，交感與副交感神經的支配應該處於一個動態的平衡。
人類神經系統的功能其實是生物進化的一個結果。我們的祖先什麼時候會啟動交感神經呢？基本上是在狩獵的過程中，遇到獅子、老虎追趕的時候，此時需要迅速決定是要跟它戰鬥還是要逃跑。
隨著當今社會發展，我們面對這種急性應激事件的概率已經大大減少了，畢竟走在路上遇到獅子、老虎追趕的機率已經非常少了。而現在的人類處於慢性壓力或焦慮狀態時，交感神經就會占優勢，打破自主神經的平衡。
如果身體長期處於這種不平衡的狀態，就容易引發疾病，威脅到我們的健康。
我們團隊過去幾十年的研究發現，健康的複雜生物系統應該處於動態平衡中，如果偏離這種平衡，就會導致系統的狀態和功能受損乃至崩潰。
我們可以用一個比較簡單的物理模型來表示，可以看到動態平衡的時候是最健康的，但是當你偏離了這個動態平衡，不管是往哪邊偏，我們都是處於一種不健康的狀態。
這種倒U型的結構其實在我們日常生活中是非常常見的。早在1908年，有兩位心理學家Yerkes和Dodson，他們就通過實驗歸納出來了一種法則，用來解釋我們的心理壓力、工作難度與工作業績之間的關係。
Yerkes-Dodson定律或倒U模型
他們發現心理壓力與工作業績的關係並不是線性的，而是這種倒U型的曲線。也就是說，當我們處於適度的壓力強度的時候，才能夠得到最好的工作業績。
這種現象非常常見，可以說我們每個人都身處其中，比如說我作為一個大學老師，我就有很多這種需要平衡的地方：我要考慮短期的滿足學校年終KPI考核和長期的科研奮鬥目標之間的平衡，同時我作為一個母親，還要平衡家庭和事業。
那麼我們要怎麼樣找到這些平衡點呢？我想我們可以藉助一些現代化的科學的手段，來更好地了解我們人體所處的各種各樣的複雜系統。
系統越複雜，組成系統的元素之間的非線性交互作用就會越複雜，這個時候單純通過去還原系統裡面每個元素的結構來了解系統的功能和狀態是遠遠不夠的，於是我們就需要用到整體論的思想來思考這個問題。
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如果我們把人體作為一個整體的系統，我們無時無刻都在接受外界環境的刺激，這個時候，系統就會有一些輸出的信號，每時每刻做出響應，我們可以通過這些輸出的信號來代表系統的功能狀態。
那麼人體的生理系統可以輸出哪些信號呢？其實非常多。
比如說從大腦獲得的腦電信號，從心臟獲得的心電信號，以及在手腕部位測量到的脈搏波信號，還有從心電和脈搏波可以提取出的實時心率信號，甚至是走路的加速度信號，也是身體功能和狀態的一種表現。
以大家比較熟悉的實時心率信號為例，圖中有四段實時心率信號，為了表示公平，他們在這30分鐘的平均心率都是1分鐘60次。這其中，有三個人是不健康的，只有一個人是健康的，大家可以猜一下是哪個。
我想很多人可能有答案了，我們來公布一下。有沒有人選A？
A是一種嚴重的心力衰竭。什麼樣的人會出現A這種心率呢？是裝了心臟起搏器的人。你可以看到，這個心率無時無刻都保持在一分鐘60次，它沒有動。
有的人說A不動，那就應該動一下才健康，所以有人選了C。
C也是一種嚴重的心率衰竭，是缺血性的心率衰竭。A和C不對，有的人選了D。
D也是不健康的，它是房顫，就是心房顫動。心房亂顫的時候，心率就不受神經系統的控制了。
不知道有沒有人選B？
B是健康的，恭喜你。
所以像A和C圖中的心率，過於規律有序是不健康的。像D這種過於紊亂的心率也是不健康的，健康是介於有序與無序之間的一種狀態。
這個圖其實我前兩天的時候也問過我的女兒，她剛剛5歲，她一看就說是B，我很驚奇。因為我們一般在很多學術的場合都會問一下，讓大家猜，基本上正確率不會超過20%。我就問她，為什麼是B？她回答我說，因為B最好看。多麼樸素的答案是不是？
我們說人體要適應環境，它會有一些動態的變化，但人體這種維持動態平衡的能力其實不是與生俱來的，也不會一直持續下去。
在我們非常年輕的時候，機體的功能往往非常強，對外界的感知也非常靈敏，這個時候面對外界環境輸入的信息我們可以迅速地做出反應。
但是隨著年齡的增長，首先我們對外界的感知會慢慢地變弱，不僅感知弱了，感知到之後的輸出也弱了，所以就會越來越單調。
舉個例子，像有些年齡大的人，足底的末梢神經會變得特別不敏感，於是他走路的時候，對周圍環境的感知也會變弱，走路的步態就會非常不穩。
我們大量的研究證實了，人體的生理系統維持動態平衡的能力會隨著年齡的增加而下降。
下圖中的橫坐標是人的年齡，縱坐標是人體維持動態平衡的能力。每一個點代表一個真實的人，他們都是非常健康的人，沒有任何疾病。
我們可以看到，人體維持動態平衡的能力大概在六七十歲的時候會急劇下降。
前面這麼多的例子都告訴我們，看似無序的複雜系統，其實包含了一些簡單的樸素規律，人體各種各樣生理信號的輸出，其實就是身體傳遞出來的一個健康報告。
這個時候我們可以藉助一些設備，比如說可穿戴設備，來監測這些信號，通過一些算法和技術幫助人們預防一些疾病。
我們知道，在中國的偏遠山區醫療資源是明顯不足的。可以設想一下，如果有一些簡便實用的、不需要專業醫生去操作的設備放在那邊，普通人受到訓練後就可以使用它們，為全村的人作初步的疾病診斷，那不是很好嗎？
在這樣的理念驅使下，我的老師——哈佛醫學院的彭仲康教授帶領我們團隊研發了這麼一套設備，它可以做很多的健康檢測，比如說驗血、驗尿等等，也可以檢測很多基礎的生命體徵。
它可以檢測13種疾病，比如說尿路感染、貧血、Ⅱ型糖尿病，包括剛剛說的房顫、還有心率衰竭，以及慢性阻塞性肺病、肺炎、高血壓等，它甚至可以拍照看看你有沒有皮膚病，還可以放到耳朵裡面看看有沒有中耳炎。
睡眠監測也是這套設備里的一個功能。我們剛剛說到交感、副交感神經需要維持動態平衡，維持平衡的方法有很多，比如運動，比如睡覺。健康的睡眠是促進副交感神經系統回到平衡狀態的一個很好的方法，所以大家要多注意休息。
傳統上對睡眠的監測怎麼做呢？如果走進醫院的睡眠監測室，你會被五花大綁，然後戴上大概20多條線，而且你要嘗試在醫院裡睡覺，總之是非常不方便的。
為了讓這個設備放在家裡就可以用，我們基於心肺耦合的技術發展了一套算法，也就是說你只要有一個設備能夠測量到自己的實時心率，比如說一個非常小的心電貼，或者是戴上一個手環，我們就可以判斷出自己是清醒、熟睡還是淺睡，甚至是在做夢的狀態。
有的人說我不止想要檢測睡眠，那你可以24小時都戴著，這樣還可以檢測你的交感和副交感神經系統的動態變化水平。
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隨著現代社會的發展，人們不僅關心自己的生理健康，也對精神心理健康提出了更高的需求。那麼這就需要我們通過測量大腦的腦電信號，去獲得大腦的狀態。
傳統測量腦電信號時，被測人需要戴上腦電帽，非常複雜，而且需要專業人士操作。
同樣地，為了解決這個問題，我們也開發了像下圖中這樣的可穿戴腦電設備，你只要戴上它就可以了，甚至可以到處去走動都沒有關係，十分方便。
Sensors 2022, 22(5)
它可以做什麼呢？比如對多動症兒童注意力的評測，對抑鬱的評測，情緒問題的識別等等。那麼通過這些，真的可以預防精神疾病嗎？我們來看下面這個例子。
這個實驗中有一名躁鬱症患者和一名健康人。什麼是躁鬱症呢？就是狂躁加抑鬱，也稱為雙相情感障礙，這樣的患者在生活中是非常多的。
研究人員給了他們一個量表，每天讓他們記錄自己今天的心情是怎麼樣的，從1分到10分，連續記錄兩年的時間。然後你就可以看到躁鬱症患者的情緒要不然是非常高，要不然是非常低，處於中間的時候很少。
Source:Gottschalk A et al. Arch Gen Psychiatry (1995)
但是健康人就不一樣了，他可能今天心情是2.3分，明天是7.8分，他會覺得1到10不夠，要描述得更細緻一點，你可以看到情緒的動態變化是有很多規律的，而且不會像躁鬱症患者的心情分數那麼單調。
精神科的醫生們多年來總結髮現，各種各樣的精神疾病患者，無論是他們的個性、行為還是認知情緒，一般都是朝兩個極端發展。
一種是特別有序，比如說強迫症、冷漠、妄想症等等，令一種就是行為特別雜亂，像衝動型人格障礙、狂躁虛構等等。
Source:Yang AC, Tsai SJ. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry (2012)
所以我們就發現，不管是生理上還是精神上，我們的系統都需要維持一個動態的平衡。
那這種動態的平衡可否去量化呢？我們可否量化「健康」呢？也就是說我能不能得到一個數值去描述現在離平衡到底有多遠，到底是處於一個什麼狀態呢？我的老師彭仲康教授很早的時候就提出了一種算法，這個算法我們也發表在了物理界的頂刊Physical Review Letters上面。
如果大家還記得剛才那幾個心電圖，特別有序的是心衰的患者，特別無序的那個是房顫患者。當我們要量化一下它們的狀態，我們要怎麼做？
如果我從不同的時間尺度來看健康人的心率的話，不難看出在每個尺度上，它的心率都有所不同。但是對於心率過分有序和無序的患者，我們可以看到，不管尺度怎麼變，它的心率好像都差不多。
所以這種量化「健康」的算法就是，我們從不同的時間尺度來看這個時間序列的混亂程度。其中，橫坐標是時間尺度，縱坐標是樣本熵，代表時間序列的混亂程度。
Source：Phys Rev Lett 2002;89:068102
我們先來看特別無序的實時心率（AF），當我用最原始的時間尺度來看時，它是非常混亂的，但是當我隨著時間尺度慢慢增加的時候，它會慢慢降下來。
對於特別規律的實時心率而言（CHF），不管用哪一個時間尺度去看，它自始至終混亂度都是非常低的。
而綠色的那條線代表的是健康人，可以看出它是特別平穩的，在不同的時間尺度上都保持了維持動態平衡的這種能力。
當我們把這個算法應用到腦電上面時，就發現了一個非常有趣的現象——抑鬱症患者的腦電複雜度是失衡的。
圖中黑色的線是我們分析健康人的腦電信號得到的結果，紅色的線代表的是抑鬱症患者的分析結果。
如果以這個紅色的虛線隔開的話，你會發現抑鬱症患者的動態複雜度曲線在小尺度上混亂度是升高的，右邊大尺度時它的混亂度是下降的，相對於健康的人，整條曲線呈現出一種傾斜、失衡的狀態。
現在是用曲線來分析，如果我們再把它繼續量化一下，用數值來表示，
我們就會看到，健康人的值會落在對角線的上邊，但是抑鬱症患者的值會往下移，整個偏離了平衡。
我們用了大量的數據去驗證這個結論，包括馬來西亞、美國、中國的抑鬱症資料庫，都發現了一樣的趨勢，而且抑鬱越嚴重，這種偏離、失衡的程度也越嚴重。
知道了這些有什麼用呢？也就是說，如果我們能夠比較早的時候就發現這個人偏離了平衡的情況，是可以給他一些干預治療的。比如說在抑鬱發展不是特別嚴重的時候，就使用一些非藥物的手段去控制住，很常見的方法比如像運動，像冥想，甚至是音樂治療，都可以有很好的作用。
很多科學研究都發現音樂能促進大腦狀態恢復平衡，這裡面主要有三個理論機制：一個是音樂可以促進神經的激活和重塑，第二個是音樂可以激活獎賞和情感的網絡，以及音樂可以激活備用的神經網絡。
Source：RJ Zatorre, et al. Nat. Rev. Neurosci. (2007)
圖中這個人在拉小提琴，拉小提琴的過程其實鍛鍊了我們很多的腦網絡，在這個過程有很多的腦區都參與了，同時我們的手，我們的眼，我們的耳朵，跟這個提琴其實是組成了一個非線性的複雜系統。
音樂治療在抑鬱症和其他精神疾病的治療中，已經被國家認可並寫入了治療的標準裡面。但是它存在一個很大的問題，就是很明顯的個性化差異，有的人有效，有的人無效。
我們實驗室在進行音樂治療的同時，會藉助我們開發的可穿戴設備，記錄患者的腦電、心電等等生理信號，這樣就可以得知在治療的過程中，他的整個身體系統狀態是怎麼樣的。這個時候我們實時地調整音樂，然後使整個人朝著健康的方向去恢復平衡。
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我們運用這麼多手段，做了這麼多的分析，有什麼用呢？
大家都覺得美國醫療很發達，但其實醫療已經成為他們國家的一個非常大的負擔，當今美國醫療的支出已經接近GDP的20%了。中國的醫療應該建立自己的模式。
我們認為中國的醫療未來應該有一個大的趨勢，首先將會從以疾病為中心轉向以健康為中心，這個健康包含了生理上、心理上，甚至是周圍環境的各種各樣的健康，也就是我們常說的大健康。
此外我們對待疾病的方式，將以治療為主轉化為以預防與管理為主，然後把疾病干預的地點由醫院轉到社區與家庭。在這個過程中，我們剛剛提到的那些理論就會起到一個很重要的作用。
中國現在醫院人滿為患，其實醫院的設立本質上應該用來治療疑難雜症，而對於預防與管理，其實我們是可以放在家庭與社區的，那麼這時各種可穿戴的設備就會起到一些比較重要的作用。
比如說我們藉助一些可穿戴設備就能夠了解到此刻你是處於什麼狀態，如果偏離了正常的情況，那麼就有可能是進入亞健康甚至是疾病狀態。如果在進入疾病之前，比如說亞健康狀態的時候，我們就可以檢測出來，這個時候我們就可以提前介入去干預它。
其實當代的人們，包括我們在座的很多朋友，對於大健康的概念已經非常接受了，所以大家都在用非常健康的生活方式管理自己，但是大家往往容易習慣於用線性思維來解讀我們人體、以及環境這種非線性複雜系統輸出的信息。
我們每個人生而不同，有的人免疫系統強一點，有的人抗壓能力弱一點，有的人是少年得志，有的人大器晚成，所以我建議大家今後多用一些複雜科學和非線性的思維去看待我們的人生，管理好我們的身心健康，祝大家生活幸福！
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