人體也有混沌行為？

凱利·克蘭西++宋森

混沌現(xiàn)象是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機的不規(guī)則運動。一個確定性理論描述的系統(tǒng)，其行為卻表現(xiàn)為不確定性——不可重復、不可預測。如果一個接近實際而沒有內(nèi)在隨機性的模型仍然具有貌似隨機的行為，就可以稱這個真實的物理系統(tǒng)是混沌的。

混沌學研究的是一種非線性科學，而非線性科學研究似乎總是把人們對“正常”事物“正常”現(xiàn)象的認識轉(zhuǎn)向?qū)Α胺闯！笔挛铩胺闯！爆F(xiàn)象的探索，例如，孤波不是周期性振蕩的規(guī)則傳播；多媒體技術對信息貯存、壓縮、傳播、轉(zhuǎn)換和控制過程中遇到大量非常規(guī)現(xiàn)象時采用的非常規(guī)的新方法。混沌打破了確定性方程由初始條件嚴格確定系統(tǒng)未來運動的“常規(guī)”，出現(xiàn)了各種“吸引子”現(xiàn)象。“蝴蝶效應”最初就是混沌學的開創(chuàng)人用來說明混沌現(xiàn)象的例子——極細微的差別可以引起結(jié)果的巨大變化。

從某種重要的角度講，接受了心臟移植的患者會忽視這個外來的新器官，因為外來心臟的神經(jīng)系統(tǒng)通常不能和身體建立聯(lián)系從而實現(xiàn)信息通信。但是，即使在缺乏外界調(diào)控10年甚至更長時間的情況下，這40000個獨立的神經(jīng)元依然可以控制心臟完美地運作。

難道我們的重要功能器官都有獨立的神經(jīng)系統(tǒng)，讓它們像瑞士手表一樣精確地工作，不受混沌行為（Chaotic Behavior）的干擾？或者說，混沌（Chaos）是可以避免的？當兩個非常精

準的鐘擺被放在一起時，它們會按照混沌的軌跡運動。人類大腦中有億萬個神經(jīng)元，每一個都像是在靜息和激活狀態(tài)中來回擺動的鐘擺，又與其他神經(jīng)元相聯(lián)系。在我們的神經(jīng)系統(tǒng)中，混沌

可以避免嗎？

這是難以想象的。混沌對初始條件是極度敏感的（只要想象一下蝴蝶效應），一個不適當?shù)臄_動就能讓我們永久地陷入瘋狂狀態(tài)，這是多么可怕的事？！因為混沌的作用顛覆了“計算主義”（即大腦不過是一個復雜的、基本的、有章可循的運算機器），有不少科學家否認生物系統(tǒng)中也存在混沌效應，在自己建立的模型中有意回避混沌。混沌并不能算是生物信息處理過程中的一部分，因為它允許噪音無限制地增殖，從而破壞信息的傳播和儲存。

然而，混沌也有好處。從行為水平上來看，在捕食者和獵物的競爭中，存在神經(jīng)系統(tǒng)上非穩(wěn)定的策略。比方說，當一個蛾子感受到一個利用回聲定位的蝙蝠時，它會立即遠離那個超聲波

聲源。當有蝙蝠靠近的時候，控制蛾子飛行的神經(jīng)元的非穩(wěn)狀態(tài)不斷增強，很快，蛾子看起來就是團翻滾著的翅膀和腿。更普適地講，混沌可以激發(fā)我們大腦更多的計算能力，通過快速的運算開拓更多的可能性。

在這些好處和其他潛在好處，以及已經(jīng)掌握的一些證據(jù)的啟發(fā)下，神經(jīng)學家漸漸接受了“混沌在大腦中有潛在的重要性”這一觀點。

混沌和紊亂并不相同。紊亂的系統(tǒng)是不可預測的，而混沌實際上是有確定性的：系統(tǒng)當前的狀態(tài)決定了它未來的走向。即便如此，它的行為也只在短時間內(nèi)可預測，信息輸入時極小的改變也會導致截然不同的結(jié)果。混沌系統(tǒng)表現(xiàn)出一種被稱為“吸引子（attractors）”的穩(wěn)定模式。隨著時間的推移，混沌的軌跡也會向這種模式靠近。因為混沌是受控制的，它控制著可靠性和探索性之間細微的平衡。正因為這種細微平衡的不可預知性，它可以作為自由意志動態(tài)基質(zhì)的最佳替代品。

在對混沌的研究中存在一個棘手的問題：它和紊亂（隨機性）之間的相似之處。在生物系統(tǒng)中，想要將兩者區(qū)分開是十分需要數(shù)學技巧的。在目前對混沌的研究中，也沒有處理多維的、實時漲落的生物數(shù)據(jù)的明確方法。沃爾特·弗里曼和他的同事率先開展了一批實驗，試圖證明大腦中混沌的存在，但因為數(shù)據(jù)有限，僅得出一些極端的結(jié)論。比方說，他認為神經(jīng)纖維網(wǎng)（細

胞外軸突和樹突的混合體）是控制意識的器官，而這是一個冒失的斷言。哲學家馬上利用早期實驗的一些表面結(jié)果，認定了這一觀點，混沌也像神一樣受到尊敬。

正因為這樣，研究者應該更小心謹慎地對待有關混沌的研究。現(xiàn)有的最有利的證據(jù)來自單細胞，比如烏賊的巨型軸突，它依靠外界鈉離子的濃度決定靜息和激活的狀態(tài)。從這些極端的例子中可以看出，在進入混沌的特有規(guī)律之前，它們都沿不規(guī)則的軌跡運動。當有一個周期性的信號輸入時，烏賊的巨型軸突會表現(xiàn)出振蕩性和混沌的活動。在細胞網(wǎng)絡中也存在混沌，一塊大鼠皮膚上的神經(jīng)元可以分辨出對皮膚的拉伸是混沌的規(guī)律還是完全無序的。

在對大腦的研究中，可以發(fā)現(xiàn)更多神經(jīng)系統(tǒng)中存在混沌的證據(jù)，這在某種程度上很像鐵塊。鐵塊中的每一個電子都可以指向一個方向（更精確地說，自旋是有指向性的），就像小磁鐵一樣，鄰近的自旋可以相互影響。當溫度低的時候，鐵塊沒有足以克服臨近自旋的能量，所以所有自旋定向排列，組成一個磁體。當溫度高的時候，鐵塊的每一個自旋都有充足的能量擺脫鄰近自旋的影響，所以整個鐵塊的自旋是無序的。當鐵塊處于不冷不熱的臨界狀態(tài)時，這種波動就表現(xiàn)出盡可能高的動態(tài)關系。換句話說，自旋之間表現(xiàn)出動態(tài)相干性，也就是既能影響臨近自旋又有自我改變能力的最佳平衡態(tài)。這種臨界狀態(tài)在大腦中也是十分有用的，讓我們可以利用高速高效的混沌動力學和有序的讀出機制保證神經(jīng)網(wǎng)絡的穩(wěn)定輸出，進一步研究計算有序與無序的混合態(tài)。但是，大腦中的這種特殊狀態(tài)不是靠溫度控制的，而是靠神經(jīng)的興奮和抑制之間的平衡調(diào)控的。如果平衡偏向于抑制，那么大腦會處于一種凍結(jié)狀態(tài)，這時什么都不會發(fā)生。如果平衡偏向于興奮，那么大腦馬上會進入混沌。這種臨界狀態(tài)可以看作混沌的一種規(guī)律。

但是，我們?nèi)绾沃来竽X是否處于這樣一種臨界狀態(tài)呢？億萬個神經(jīng)元活動產(chǎn)生的信號結(jié)構(gòu)是一條線索。通過在不同振蕩頻率上測量大腦電活動所放出的能量，我們發(fā)現(xiàn)能量和頻率成反比關系。這種反比關系，就是系統(tǒng)處于臨界態(tài)的特征。當借助藥物使大腦脫離正常的工作狀態(tài)時，它通常會同時失去這兩種特征，信息編碼和傳播效率也降低了。

哲學家吉爾斯·德勒茲和精神病醫(yī)生費利克斯·瓜塔里認為，大腦的主要功能就是保護我們遠離混沌。它似乎已經(jīng)在我們研究混沌的時候這樣做了。與此同時，和跳動的心臟一樣，神經(jīng)網(wǎng)絡也有近乎完美的可靠性。有序和無序之間存在一種共生的關系，而且在沒有記憶和認知推動其進入吸引子混沌的規(guī)律之前，神經(jīng)元的激活會保持一種無規(guī)律的運動。敏感的信號輸入可以幫助混沌狀態(tài)的穩(wěn)定。的確，在大量不同物種和系統(tǒng)之間，都表現(xiàn)出了刺激降低使神經(jīng)元向激活狀態(tài)變化的傾向，就像高維混沌態(tài)演化到一個吸引子，吸引子則代表敏感系統(tǒng)保持穩(wěn)定性的策

略。最近的大型獨立振蕩器網(wǎng)絡理論和實驗研究表明，有序和混沌可以和諧并存。

經(jīng)典神經(jīng)學認為，神經(jīng)元在短時間內(nèi)是靜止的、可計算的單位，不是不斷變換的動態(tài)實體，這可能和實際情況背道而馳。如果混沌在大腦中扮演了一個重要的角色，那么神經(jīng)計算就不再單單是一個數(shù)據(jù)的輸出，而是一個大腦突觸以自編的節(jié)奏不斷運動的高維動態(tài)軌跡。

在投入上百萬資金進行大腦神經(jīng)網(wǎng)絡圖構(gòu)建研究的同時，許多像伊芙· 馬德一樣的科學家提出了不同的見解：由于神經(jīng)網(wǎng)絡回路的復雜性，一張結(jié)構(gòu)圖對解決更多的問題沒有幫助。功能上的聯(lián)系可以在幾毫秒內(nèi)建立和消失，特殊的神經(jīng)元也可以隨著時間調(diào)整自己的屬性，因此它們不能穩(wěn)定地代表某一條信息，但是可以時刻變換以便給新的信息騰出空間。癲癇可能就是潛在的混沌失調(diào)引發(fā)的。混沌也可以作為大腦健康程度的判定標準。有腦損傷的嚙齒類動物產(chǎn)多巴胺的細胞中混沌活動更少，和健康的嚙齒類動物相反。這意味著可以找到診斷甚至治療帕金森氏癥和其他與多巴胺相關的功能紊亂疾病的方法。

經(jīng)濟學家穆瑞·羅斯巴德這樣描述混沌理論：“從內(nèi)部摧毀數(shù)學，使人類試圖在自然中探求的簡單線性關系變得混亂和不可預測。”在人類大腦中發(fā)生的混沌也起著相似的作用。經(jīng)濟學

經(jīng)常把人模式化成“理性機構(gòu)模型”：未來享樂計算器。盡管為自身利益著想的做法是有道理的，但我們不能這樣去做，因為我們很難預測什么事對自己有利。正是這一特殊的缺陷造就了人類。endprint