人体也有混沌行为？

凯利·克兰西++宋森

混沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动。一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性——不可重复、不可预测。如果一个接近实际而没有内在随机性的模型仍然具有貌似随机的行为，就可以称这个真实的物理系统是混沌的。

混沌学研究的是一种非线性科学，而非线性科学研究似乎总是把人们对“正常”事物“正常”现象的认识转向对“反常”事物“反常”现象的探索，例如，孤波不是周期性振荡的规则传播；多媒体技术对信息贮存、压缩、传播、转换和控制过程中遇到大量非常规现象时采用的非常规的新方法。混沌打破了确定性方程由初始条件严格确定系统未来运动的“常规”，出现了各种“吸引子”现象。“蝴蝶效应”最初就是混沌学的开创人用来说明混沌现象的例子——极细微的差别可以引起结果的巨大变化。

从某种重要的角度讲，接受了心脏移植的患者会忽视这个外来的新器官，因为外来心脏的神经系统通常不能和身体建立联系从而实现信息通信。但是，即使在缺乏外界调控10年甚至更长时间的情况下，这40000个独立的神经元依然可以控制心脏完美地运作。

难道我们的重要功能器官都有独立的神经系统，让它们像瑞士手表一样精确地工作，不受混沌行为（Chaotic Behavior）的干扰？或者说，混沌（Chaos）是可以避免的？当两个非常精

准的钟摆被放在一起时，它们会按照混沌的轨迹运动。人类大脑中有亿万个神经元，每一个都像是在静息和激活状态中来回摆动的钟摆，又与其他神经元相联系。在我们的神经系统中，混沌

可以避免吗？

这是难以想象的。混沌对初始条件是极度敏感的（只要想象一下蝴蝶效应），一个不适当的扰动就能让我们永久地陷入疯狂状态，这是多么可怕的事？！因为混沌的作用颠覆了“计算主义”（即大脑不过是一个复杂的、基本的、有章可循的运算机器），有不少科学家否认生物系统中也存在混沌效应，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处理过程中的一部分，因为它允许噪音无限制地增殖，从而破坏信息的传播和储存。

然而，混沌也有好处。从行为水平上来看，在捕食者和猎物的竞争中，存在神经系统上非稳定的策略。比方说，当一个蛾子感受到一个利用回声定位的蝙蝠时，它会立即远离那个超声波

声源。当有蝙蝠靠近的时候，控制蛾子飞行的神经元的非稳状态不断增强，很快，蛾子看起来就是团翻滚着的翅膀和腿。更普适地讲，混沌可以激发我们大脑更多的计算能力，通过快速的运算开拓更多的可能性。

在这些好处和其他潜在好处，以及已经掌握的一些证据的启发下，神经学家渐渐接受了“混沌在大脑中有潜在的重要性”这一观点。

混沌和紊乱并不相同。紊乱的系统是不可预测的，而混沌实际上是有确定性的：系统当前的状态决定了它未来的走向。即便如此，它的行为也只在短时间内可预测，信息输入时极小的改变也会导致截然不同的结果。混沌系统表现出一种被称为“吸引子（attractors）”的稳定模式。随着时间的推移，混沌的轨迹也会向这种模式靠近。因为混沌是受控制的，它控制着可靠性和探索性之间细微的平衡。正因为这种细微平衡的不可预知性，它可以作为自由意志动态基质的最佳替代品。

在对混沌的研究中存在一个棘手的问题：它和紊乱（随机性）之间的相似之处。在生物系统中，想要将两者区分开是十分需要数学技巧的。在目前对混沌的研究中，也没有处理多维的、实时涨落的生物数据的明确方法。沃尔特·弗里曼和他的同事率先开展了一批实验，试图证明大脑中混沌的存在，但因为数据有限，仅得出一些极端的结论。比方说，他认为神经纤维网（细

胞外轴突和树突的混合体）是控制意识的器官，而这是一个冒失的断言。哲学家马上利用早期实验的一些表面结果，认定了这一观点，混沌也像神一样受到尊敬。

正因为这样，研究者应该更小心谨慎地对待有关混沌的研究。现有的最有利的证据来自单细胞，比如乌贼的巨型轴突，它依靠外界钠离子的浓度决定静息和激活的状态。从这些极端的例子中可以看出，在进入混沌的特有规律之前，它们都沿不规则的轨迹运动。当有一个周期性的信号输入时，乌贼的巨型轴突会表现出振荡性和混沌的活动。在细胞网络中也存在混沌，一块大鼠皮肤上的神经元可以分辨出对皮肤的拉伸是混沌的规律还是完全无序的。

在对大脑的研究中，可以发现更多神经系统中存在混沌的证据，这在某种程度上很像铁块。铁块中的每一个电子都可以指向一个方向（更精确地说，自旋是有指向性的），就像小磁铁一样，邻近的自旋可以相互影响。当温度低的时候，铁块没有足以克服临近自旋的能量，所以所有自旋定向排列，组成一个磁体。当温度高的时候，铁块的每一个自旋都有充足的能量摆脱邻近自旋的影响，所以整个铁块的自旋是无序的。当铁块处于不冷不热的临界状态时，这种波动就表现出尽可能高的动态关系。换句话说，自旋之间表现出动态相干性，也就是既能影响临近自旋又有自我改变能力的最佳平衡态。这种临界状态在大脑中也是十分有用的，让我们可以利用高速高效的混沌动力学和有序的读出机制保证神经网络的稳定输出，进一步研究计算有序与无序的混合态。但是，大脑中的这种特殊状态不是靠温度控制的，而是靠神经的兴奋和抑制之间的平衡调控的。如果平衡偏向于抑制，那么大脑会处于一种冻结状态，这时什么都不会发生。如果平衡偏向于兴奋，那么大脑马上会进入混沌。这种临界状态可以看作混沌的一种规律。

但是，我们如何知道大脑是否处于这样一种临界状态呢？亿万个神经元活动产生的信号结构是一条线索。通过在不同振荡频率上测量大脑电活动所放出的能量，我们发现能量和频率成反比关系。这种反比关系，就是系统处于临界态的特征。当借助药物使大脑脱离正常的工作状态时，它通常会同时失去这两种特征，信息编码和传播效率也降低了。

哲学家吉尔斯·德勒兹和精神病医生费利克斯·瓜塔里认为，大脑的主要功能就是保护我们远离混沌。它似乎已经在我们研究混沌的时候这样做了。与此同时，和跳动的心脏一样，神经网络也有近乎完美的可靠性。有序和无序之间存在一种共生的关系，而且在没有记忆和认知推动其进入吸引子混沌的规律之前，神经元的激活会保持一种无规律的运动。敏感的信号输入可以帮助混沌状态的稳定。的确，在大量不同物种和系统之间，都表现出了刺激降低使神经元向激活状态变化的倾向，就像高维混沌态演化到一个吸引子，吸引子则代表敏感系统保持稳定性的策

略。最近的大型独立振荡器网络理论和实验研究表明，有序和混沌可以和谐并存。

经典神经学认为，神经元在短时间内是静止的、可计算的单位，不是不断变换的动态实体，这可能和实际情况背道而驰。如果混沌在大脑中扮演了一个重要的角色，那么神经计算就不再单单是一个数据的输出，而是一个大脑突触以自编的节奏不断运动的高维动态轨迹。

在投入上百万资金进行大脑神经网络图构建研究的同时，许多像伊芙· 马德一样的科学家提出了不同的见解：由于神经网络回路的复杂性，一张结构图对解决更多的问题没有帮助。功能上的联系可以在几毫秒内建立和消失，特殊的神经元也可以随着时间调整自己的属性，因此它们不能稳定地代表某一条信息，但是可以时刻变换以便给新的信息腾出空间。癫痫可能就是潜在的混沌失调引发的。混沌也可以作为大脑健康程度的判定标准。有脑损伤的啮齿类动物产多巴胺的细胞中混沌活动更少，和健康的啮齿类动物相反。这意味着可以找到诊断甚至治疗帕金森氏症和其他与多巴胺相关的功能紊乱疾病的方法。

经济学家穆瑞·罗斯巴德这样描述混沌理论：“从内部摧毁数学，使人类试图在自然中探求的简单线性关系变得混乱和不可预测。”在人类大脑中发生的混沌也起着相似的作用。经济学

经常把人模式化成“理性机构模型”：未来享乐计算器。尽管为自身利益着想的做法是有道理的，但我们不能这样去做，因为我们很难预测什么事对自己有利。正是这一特殊的缺陷造就了人类。endprint