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(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。一個(gè)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(fù)、不可預(yù)測(cè)。如果一個(gè)接近實(shí)際而沒有內(nèi)在隨機(jī)性的模型仍然具有貌似隨機(jī)的行為，就可以稱這個(gè)真實(shí)的物理系統(tǒng)是混沌的。

混沌學(xué)研究的是一種非線性科學(xué)，而非線性科學(xué)研究似乎總是把人們對(duì)“正?！笔挛铩罢！爆F(xiàn)象的認(rèn)識(shí)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(shù)對(duì)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(shí)采用的非常規(guī)的新方法?；煦绱蚱屏舜_定性方程由初始條件嚴(yán)格確定系統(tǒng)未來運(yùn)動(dòng)的“常規(guī)”，出現(xiàn)了各種“吸引子”現(xiàn)象?！昂?yīng)”最初就是混沌學(xué)的開創(chuàng)人用來說明混沌現(xiàn)象的例子——極細(xì)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(huì)忽視這個(gè)外來的新器官，因?yàn)橥鈦硇呐K的神經(jīng)系統(tǒng)通常不能和身體建立聯(lián)系從而實(shí)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(shí)間的情況下，這40000個(gè)獨(dú)立的神經(jīng)元依然可以控制心臟完美地運(yùn)作。

難道我們的重要功能器官都有獨(dú)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(dāng)兩個(gè)非常精

準(zhǔn)的鐘擺被放在一起時(shí)，它們會(huì)按照混沌的軌跡運(yùn)動(dòng)。人類大腦中有億萬個(gè)神經(jīng)元，每一個(gè)都像是在靜息和激活狀態(tài)中來回?cái)[動(dòng)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?；煦鐚?duì)初始條件是極度敏感的（只要想象一下蝴蝶效應(yīng)），一個(gè)不適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)就能讓我們永久地陷入瘋狂狀態(tài)，這是多么可怕的事？！因?yàn)榛煦绲淖饔妙嵏擦恕坝?jì)算主義”（即大腦不過是一個(gè)復(fù)雜的、基本的、有章可循的運(yùn)算機(jī)器），有不少科學(xué)家否認(rèn)生物系統(tǒng)中也存在混沌效應(yīng)，在自己建立的模型中有意回避混沌?；煦绮⒉荒芩闶巧镄畔⑻幚磉^程中的一部分，因?yàn)樗试S噪音無限制地增殖，從而破壞信息的傳播和儲(chǔ)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(jìng)爭(zhēng)中，存在神經(jīng)系統(tǒng)上非穩(wěn)定的策略。比方說，當(dāng)一個(gè)蛾子感受到一個(gè)利用回聲定位的蝙蝠時(shí)，它會(huì)立即遠(yuǎn)離那個(gè)超聲波

聲源。當(dāng)有蝙蝠靠近的時(shí)候，控制蛾子飛行的神經(jīng)元的非穩(wěn)狀態(tài)不斷增強(qiáng)，很快，蛾子看起來就是團(tuán)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(jì)算能力，通過快速的運(yùn)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(xué)家漸漸接受了“混沌在大腦中有潛在的重要性”這一觀點(diǎn)。

混沌和紊亂并不相同。紊亂的系統(tǒng)是不可預(yù)測(cè)的，而混沌實(shí)際上是有確定性的：系統(tǒng)當(dāng)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(shí)間內(nèi)可預(yù)測(cè)，信息輸入時(shí)極小的改變也會(huì)導(dǎo)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(shí)間的推移，混沌的軌跡也會(huì)向這種模式靠近。因?yàn)榛煦缡鞘芸刂频?，它控制著可靠性和探索性之間細(xì)微的平衡。正因?yàn)檫@種細(xì)微平衡的不可預(yù)知性，它可以作為自由意志動(dòng)態(tài)基質(zhì)的最佳替代品。

在對(duì)混沌的研究中存在一個(gè)棘手的問題：它和紊亂（隨機(jī)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(xué)技巧的。在目前對(duì)混沌的研究中，也沒有處理多維的、實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)，試圖證明大腦中混沌的存在，但因?yàn)閿?shù)據(jù)有限，僅得出一些極端的結(jié)論。比方說，他認(rèn)為神經(jīng)纖維網(wǎng)（細(xì)

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

正因?yàn)檫@樣，研究者應(yīng)該更小心謹(jǐn)慎地對(duì)待有關(guān)混沌的研究?，F(xiàn)有的最有利的證據(jù)來自單細(xì)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(jìn)入混沌的特有規(guī)律之前，它們都沿不規(guī)則的軌跡運(yùn)動(dòng)。當(dāng)有一個(gè)周期性的信號(hào)輸入時(shí)，烏賊的巨型軸突會(huì)表現(xiàn)出振蕩性和混沌的活動(dòng)。在細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中也存在混沌，一塊大鼠皮膚上的神經(jīng)元可以分辨出對(duì)皮膚的拉伸是混沌的規(guī)律還是完全無序的。

在對(duì)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(gè)電子都可以指向一個(gè)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(dāng)溫度低的時(shí)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(gè)磁體。當(dāng)溫度高的時(shí)候，鐵塊的每一個(gè)自旋都有充足的能量擺脫鄰近自旋的影響，所以整個(gè)鐵塊的自旋是無序的。當(dāng)鐵塊處于不冷不熱的臨界狀態(tài)時(shí)，這種波動(dòng)就表現(xiàn)出盡可能高的動(dòng)態(tài)關(guān)系。換句話說，自旋之間表現(xiàn)出動(dòng)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(dòng)力學(xué)和有序的讀出機(jī)制保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定輸出，進(jìn)一步研究計(jì)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(huì)處于一種凍結(jié)狀態(tài)，這時(shí)什么都不會(huì)發(fā)生。如果平衡偏向于興奮，那么大腦馬上會(huì)進(jìn)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(gè)神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)結(jié)構(gòu)是一條線索。通過在不同振蕩頻率上測(cè)量大腦電活動(dòng)所放出的能量，我們發(fā)現(xiàn)能量和頻率成反比關(guān)系。這種反比關(guān)系，就是系統(tǒng)處于臨界態(tài)的特征。當(dāng)借助藥物使大腦脫離正常的工作狀態(tài)時(shí)，它通常會(huì)同時(shí)失去這兩種特征，信息編碼和傳播效率也降低了。

哲學(xué)家吉爾斯·德勒茲和精神病醫(yī)生費(fèi)利克斯·瓜塔里認(rèn)為，大腦的主要功能就是保護(hù)我們遠(yuǎn)離混沌。它似乎已經(jīng)在我們研究混沌的時(shí)候這樣做了。與此同時(shí)，和跳動(dòng)的心臟一樣，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，而且在沒有記憶和認(rèn)知推動(dòng)其進(jìn)入吸引子混沌的規(guī)律之前，神經(jīng)元的激活會(huì)保持一種無規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。敏感的信號(hào)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(gè)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(dú)立振蕩器網(wǎng)絡(luò)理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，有序和混沌可以和諧并存。

經(jīng)典神經(jīng)學(xué)認(rèn)為，神經(jīng)元在短時(shí)間內(nèi)是靜止的、可計(jì)算的單位，不是不斷變換的動(dòng)態(tài)實(shí)體，這可能和實(shí)際情況背道而馳。如果混沌在大腦中扮演了一個(gè)重要的角色，那么神經(jīng)計(jì)算就不再單單是一個(gè)數(shù)據(jù)的輸出，而是一個(gè)大腦突觸以自編的節(jié)奏不斷運(yùn)動(dòng)的高維動(dòng)態(tài)軌跡。

在投入上百萬資金進(jìn)行大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建研究的同時(shí)，許多像伊芙· 馬德一樣的科學(xué)家提出了不同的見解：由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回路的復(fù)雜性，一張結(jié)構(gòu)圖對(duì)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(shí)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(shí)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?；煦缫部梢宰鳛榇竽X健康程度的判定標(biāo)準(zhǔn)。有腦損傷的嚙齒類動(dòng)物產(chǎn)多巴胺的細(xì)胞中混沌活動(dòng)更少，和健康的嚙齒類動(dòng)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(guān)的功能紊亂疾病的方法。

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

經(jīng)常把人模式化成“理性機(jī)構(gòu)模型”：未來享樂計(jì)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?yàn)槲覀兒茈y預(yù)測(cè)什么事對(duì)自己有利。正是這一特殊的缺陷造就了人類。endprint