你的大脑处于混乱的边缘

我在一个重要的方面，心脏移植的受者忽略了它的新器官:它的神经系统通常不会重新连接与它沟通。控制心脏的4万个神经元运作得如此完美，而且是如此独立，以至于心脏可以从一个身体上割下来，放在另一个身体上，即使在没有外界控制的情况下，也可以继续完美地运行10年或更长时间。这似乎是必要的:我们神经系统中管理我们最重要功能的部分就像瑞士表，精确计时，不受干扰。混乱的行为已被制止。

或者有吗?两个摆动非常有规律的简单的钟摆，如果连在一起，就会以一种混乱的轨迹运动。鉴于我们大脑中的数十亿神经元就像一个钟摆，在休息和兴奋之间来回摆动，并与其他10,000个神经元相连，我们的神经系统混乱不是不可避免的吗?

这种前景很难想象。混沌对初始条件极其敏感——只要想想蝴蝶效应就知道了。如果错误的扰乱使我们陷入不可挽回的疯狂呢?许多科学家也对混沌在生物系统中起作用的观点有很大的抵触。许多人故意把它排除在他们的模型之外。它颠覆了计算主义，即大脑不过是一台复杂的、但从根本上基于规则的计算机。混乱似乎不适合作为生物信息处理的机制，因为它允许噪音无限制地传播，破坏信息的传输和存储。

大脑的主要功能是保护我们，就像一把雨伞，远离混乱。

与此同时，混乱也有它的好处。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植入我们的神经系统。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。

在这些和其他潜在优势的推动下，随着手头证据的积累，神经科学家逐渐接受了大脑混乱的潜在重要性。

C豪斯不等于混乱。虽然无序的系统无法预测，但混沌实际上是确定的:系统的当前状态决定了它的未来。然而，即便如此，它的行为也只能在短时间内被预测: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”，出现在耐心的观察者面前。随着时间的推移，混乱的轨迹会向它们靠拢。因为混沌是可以控制的，所以它在可靠性和探索之间取得了很好的平衡。然而，因为它是不可预测的，它是自由意志动力基础的有力候选者。

与随机无序(或随机性)的相似性一直是正规混沌研究的一个难题。在数学上区分两者可能很棘手——尤其是在生物系统中。在处理多维、波动的生物数据时，没有明确的混乱测试方法。沃尔特·弗里曼(Walter Freeman)和他的同事们率先进行了一些最早的研究，试图证明大脑中存在混乱，但在有限的数据下得出了极端的结论。例如，他认为神经pil(轴突和树突的细胞外混合物)是意识的器官——这在任何光线下都是一个强有力的主张。哲学家们很快就抓住了这些观点，甚至对最早的研究也只看表面。哲学家和科学家的文章可以像引用Henri Poincaré一样引用Jiddu Krishnamurti的名言，而混乱常常以一种半神秘的崇敬来处理。^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细胞网络也出现了混乱。老鼠皮肤上的神经元可以区分混乱和无序的皮肤拉伸模式。⁵

更多关于神经系统混乱的证据可以在整个大脑活动的水平上找到。奇怪的是，对这种行为的恰当比喻是一块铁板。⁶它所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)。就像微小的磁铁一样，相邻的自旋相互影响。当平板处于冷态时，没有足够的能量来克服相邻自旋的影响，所有自旋都朝着同一个方向排列，形成一个固体磁铁。当平板变热时，每次旋转都有如此多的能量，以至于它可以不受相邻平板的影响，因此平板的旋转是无序的。当板处于冷热之间时，它处于所谓的“临界状态”。其特征是具有波动性的同自旋区域，这些区域表现出最高可能的动态相关性，即自旋影响其邻居的能力与自旋被改变的能力之间的最佳平衡。

临界状态对大脑非常有用，它允许大脑在计算中同时利用有序和无序——使用一个具有丰富、快速混沌动力学的冗余网络，以及一个有序读出功能，稳定地映射网络状态到输出。维持临界状态的不是温度，而是神经兴奋和抑制的平衡。如果这种平衡倾向于更多的抑制，大脑就会“冻结”，什么也不会发生。如果刺激太多，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关键时刻运转呢?一条线索是数十亿神经元活动产生的信号的结构。我们可以测量不同振荡频率下大脑电活动的功率。结果表明，活动的力量随着活动频率的反比而减弱。一旦被称为1/f“噪声”，这种关系实际上是系统在其临界点平衡的标志。⁷协调神经元活动区域的空间范围也与频率成反比，这是另一个临界的标志。当大脑被药理学药剂推离其正常运行状态时，它通常会失去这两个特征，^8、9降低了其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

目前的神经科学研究范式认为，时间快照中的神经元是静止的计算单位，而不是移动的动态实体的成员，这可能完全错过了标记。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一个静态的读出，从光子的传导到光的体验，而是一个高维的动态轨迹，随着尖波以自我编排的节奏在大脑中舞蹈。

虽然数以亿计的美元被投入到构建连接体——一个神经元对神经元的大脑图谱，像Eve Marder这样的科学家认为，由于这些回路的复杂性，仅靠结构图谱并不能让我们走得很远。功能连接可以在几毫秒内闪进闪出。单个神经元似乎会随着时间的推移而改变其调谐特性^14、15因此，可能无法“字节寻址”——也就是说，稳定地表示某些信息——而是在动态字典中运行，动态字典不断移动，为新含义腾出空间。混沌鼓励我们把某些紊乱看作是动态的疾病，癫痫发作是混沌潜在失败的最引人注目的例子。¹⁶混乱也可能是大脑健康的标志:例如，研究人员报告说，与健康的啮齿动物相比，大脑受损的啮齿动物多巴胺产生细胞的混乱动力学更少，这可能对诊断和治疗帕金森症和其他多巴胺相关疾病有意义。¹⁷

经济学家穆雷·罗斯巴德将混沌理论描述为“从内部摧毁数学”。它篡夺了人类简化的冲动，用混乱和不可预测取代了我们在自然中寻求的清晰的线性关系。同样，大脑的混乱会削弱对人类行为的夸张描述。经济学家经常将人类建模为“理性行动者”:为自己未来的利益而行动的享乐主义计算器。但我们不能真正出于自身利益行事——尽管这是一件合理的事——因为我们不擅长预测它是什么。毕竟，我们怎么能做到呢?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。

参考文献

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