我在一个重要的方面，心脏移植的接受者忽略了它的新器官：它的神经系统通常不会重新连接以与之通信。控制一个心脏的40000个神经元运行得如此完美，并且是如此独立，以至于一个心脏可以从一个身体中切割出来，放入另一个身体中，并在没有外部控制的情况下继续完美地工作十年或更长时间。这似乎是必要的：我们的神经系统中管理我们最基本功能的部分就像一块瑞士手表，精确计时，不受干扰。混乱的行为已被扼杀。
还是有？当两个简单的摆锤以完美的规律摆动时，当它们结合在一起时，可以在一个混乱的轨道上运动。考虑到我们大脑中数十亿个神经元都像一个钟摆，在休息和放电之间来回摆动，并与10000个其他神经元相连，我们的神经系统中的混乱不是不可避免的吗？
前景令人难以想象。混沌对初始条件非常敏感，想想蝴蝶效应就知道了。如果错误的干扰使我们陷入不可挽回的疯狂呢？在许多科学家中，也有很多人反对混沌在生物系统中起作用的观点。许多人故意将其排除在模型之外。它颠覆了计算主义，即认为大脑只不过是一台复杂但基本上基于规则的计算机。混沌似乎不适合作为生物信息处理的一种机制，因为它允许噪声无限制地传播，破坏信息的传输和存储。
大脑的主要功能是保护我们，就像保护伞一样，不受混乱的影响。
同时，混沌也有它的优势。在行为层面上，捕食者和猎物之间的军备竞赛将不稳定的策略连接到我们的神经系统中。1.例如，一只蛾子感觉到了蝙蝠的回声定位，就会立即引导自己远离超声波源。当蝙蝠靠近时，控制飞蛾飞行火力的神经元变得越来越不稳定，直到飞蛾阵发性地猛冲，似乎只是翅膀和腿的一团乱跳。更普遍地说，通过快速探索各种可能性，混沌可以赋予我们的大脑巨大的计算能力。
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在这些和其他潜在优势的推动下，随着证据的积累，神经科学家正逐渐接受大脑混沌的潜在重要性。
Chaos与无序不同。虽然无序系统无法预测，但混沌实际上是确定性的：系统的当前状态决定其未来。但即便如此，其行为也只能在短时间内预测：投入的微小差异会导致截然不同的结果。混沌系统也可以表现出稳定的模式，称为“吸引子”，出现在患者观察者面前。随着时间的推移，混乱的轨迹将被吸引向它们。因为混沌是可以控制的，所以它在可靠性和探索性之间取得了很好的平衡。然而，由于它的不可预测性，它是自由意志的动力基础的有力候选。
与随机无序（或随机性）的相似性一直是混沌正式研究中的一个难题。从数学上讲，区分这两者是很困难的，尤其是在生物系统中。在处理多维、波动的生物数据时，没有确定的混沌测试。沃尔特·弗里曼（Walter Freeman）和他的同事率先开展了一些最早的研究，试图证明大脑中存在混沌现象，但在有限的数据基础上得出了极端的结论。例如，他认为，神经肽是轴突和树突的细胞外混合物，是意识器官——从任何角度来看，这都是一个强有力的论断。哲学家们很快就抓住了这些观点，即使是最早的研究也只是表面上的。哲学家和科学家的文章都可以像亨利·彭加勒一样引用吉杜·克里希那穆提的话，而混沌的处理往往带有半神秘的崇敬。2、3
因此，研究人员必须谨慎行事，才能得到认真对待。但对混乱的探索并不纯粹是诗意的。目前最有力的证据来自单细胞。例如，乌贼的巨大轴突，根据外部钠浓度的不同，在静止模式或重复放电模式下工作。在这两个极端之间，它表现出不可预测的爆发，类似于在进入吸引器之前混沌轨道的游荡行为。当一个周期性的输入应用，乌贼巨大的轴突反应与振荡和混沌活动的混合物。4.细胞网络中也存在着混乱。大鼠皮肤上的神经元可以区分皮肤伸展的混乱和无序模式。5.
更多关于神经系统混乱的证据可以在全球大脑活动水平上找到。奇怪的是，这种行为的一个恰当比喻是铁板。6.它包含的电子可以指向不同的方向（更准确地说，它们的自旋可以指向）。像小磁铁一样，相邻的自旋相互影响。当板坯冷却时，没有足够的能量克服相邻自旋的影响，所有自旋沿同一方向排列，形成一个固体磁铁。当板是热的时，每个自旋都有如此多的能量，以至于它可以摆脱其相邻自旋的影响，并且板的自旋是无序的。当板处于热态和冷态之间时，它处于所谓的“临界状态”。这是以相同自旋区域的波动区域为特征的，这些区域表现出最高可能的动态相关性，即自旋影响其相邻区域的能力与其被改变的能力之间的最佳平衡。
临界状态对大脑非常有用，允许大脑利用其计算中的有序和无序，利用具有丰富、快速混沌动力学的冗余网络和有序读出功能，将网络状态稳定地映射到输出。维持临界状态的不是温度，而是神经兴奋和抑制的平衡。如果平衡倾向于更多的抑制，大脑就会“冻结”，什么也不会发生。如果有太多的激励，它就会陷入混乱。临界点类似于吸引子。
但我们如何判断大脑是否在临界点工作呢？其中一条线索是其数十亿神经元活动产生的信号结构。我们可以测量不同振荡频率下大脑电活动的功率。事实证明，活动的力量随着活动频率的倒数而下降。这种关系一度被称为1/f“噪声”，实际上是系统在临界点平衡的标志。7.协调神经元活动区域的空间范围也与频率成反比，频率是临界状态的另一个标志。当大脑被药物推离正常工作状态时，它通常会失去这两个特征，8, 9降低了信息编码和传输的效率。10
T哲学家Gilles Deleuze和精神病学家Felix Guattari认为，大脑的主要功能是保护我们，就像一把雨伞，免受混乱。它似乎是利用混乱本身来做到这一点的。与此同时，神经网络也具有近乎完美的可靠性，就像跳动的心脏一样。有序与无序有着共生关系，神经元的放电可能会混乱地徘徊，直到一种记忆或感知将其推入吸引器。感官输入将会起到“稳定”混乱的作用。事实上，刺激的呈现减少了神经元放电的可变性，这一变化跨越了惊人数量的不同物种和系统，11就好像高维混沌轨道落入了吸引器。通过“驯服”混沌，吸引子可以代表保持敏感系统可靠性的策略。12最近对大型独立振荡网络的理论和实验研究也表明，秩序和混沌可以以惊人的和谐共存，即所谓的嵌合体状态。13
当前神经科学的研究范式认为，时间快照中的神经元是静止的计算单元，而不是一个不断变化的动态实体的成员，这可能完全失去了意义。如果混沌在大脑中扮演着重要的角色，那么神经计算就不是静态的读出，从光子传递到光的体验的一个锁步，而是一个高维的动态轨迹，尖峰以自我编排的节奏在大脑中舞动。
尽管数亿美元正被用于构建连接体——一种大脑中逐神经元的图谱，但伊芙·马德尔等科学家认为，由于这些电路的复杂性，单凭结构图谱并不能让我们走得很远。功能连接可以在毫秒内忽隐忽现。单个神经元似乎会随着时间的推移改变其调谐特性14、15因此可能不是“字节可寻址的”——也就是说，稳定地表示某些信息，而是在一个动态字典中运行，该字典不断地变换，为新的含义腾出空间。混沌鼓励我们将某些疾病视为动力性疾病，癫痫发作是混沌潜在失败的最引人注目的例子。16混沌也可以作为大脑健康的标志：例如，研究人员报告，与健康啮齿类动物相比，患有脑损伤的啮齿类动物的多巴胺产生细胞中的混沌动力学更少，这可能对帕金森氏症和其他多巴胺相关疾病的诊断和治疗具有重要意义。17
经济学家默里·罗斯巴德（Murray Rothbard）将混沌理论描述为“从内部摧毁数学”。它篡夺了人类简化数学的冲动，用混乱和不可预测取代了我们在自然界中寻求的清晰线性关系。类似地，大脑的混乱破坏了对人类行为的油嘴滑舌的讽刺。经济学家经常将人类建模为“理性代理人”：为未来利益行事的享乐主义计算器。但我们不能真的出于自身利益而采取行动，尽管这样做是合理的，因为我们很难预测这是什么。毕竟，我们怎么可能呢？正是这种失败造就了我们。
凯利·克兰西(Kelly Clancy)曾在麻省理工学院(MIT)学习物理学，之后在土库曼斯坦和平队(Peace Corps)工作之前，曾做过几年巡回天文学家。作为美国国家科学基金会(National Science Foundation)的一员，她最近在加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)完成了生物物理学博士学位。今年秋天，她将在瑞士的生物中心开始博士后研究。
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