人体最混沌的器官

人体最混沌的器官——脑

经过一个多世纪的研究，人们对脑的概况有了认识，它由大量的神经元细胞、胶质细胞等组成。人类大脑中有神经元约10¹¹个，胶质细胞数量更多。而神经元又由细胞壁、树状突、轴突和突出组成，如图7－1所示，可以看出其结构是分形的。所以，大脑结构也很复杂，表面极为皱折弯曲。

神经细胞间既有化学反应，又有机械作用，但最重要的是电的运动。神经元细胞膜受周围某种刺激后，引起至少70～80毫伏的电位变化，该电信号经过轴突输出。神经元之间相互联系形成网络，对电信号进行处理。这是大脑进行思维活动的物理基础。

图7－1　神经元

对脑功能的研究，理应把脑神经的各种通路和机理搞清楚，从而建立一幅脑功能的全图。然而由于神经细胞数量太大，关系又极复杂，这种做法难以实现。所以现在只能采取统计测量与数学模拟相结合的办法，就是先建立个模型，研究其动力学性质，再将结果与实际测量对比。20世纪20年代发明了测量脑电图的方法，将电极放在头皮的某些部位，测量电的波动情况。这种测量实际是千百万神经细胞电活动的总效果，所以模型中的基本量往往是统计性的量，用概率表示。科瓦(Kowan)曾经建立过一个模型，有两个方程，他虽然考虑了神经生理学的现有知识，但只考虑了神经网络，而未考虑胶质细胞，方程只有定态解和周期解，不能说明脑电图的特性。

图7－2　修正模型的相轨线

中国理论生物学家徐京华，早年就研究过神经传导，20世纪50年代研究脑化学变化与脑功能的关系。后来用混沌观点研究脑电图，提出胶质细胞对脑的电活动具有调节作用的观点，修正了科瓦模型，增加了第三个方程，使得模型在一定参数下也可得到混沌解，其相轨线如图7－2所示。而且，用此修正的神经网络模型所绘出的电波动图形与人的脑电图极为相似。徐京华成为世界上研究生物混沌的科学家之一。

表7－1　国际上关于脑电图分维的若干研究结果

不仅脑神经元的结构是分形的，描绘脑电波的脑电图的结构也是分形的。脑电图的分形结构进一步表明脑活动的混沌性。表面上初看脑电图有随机性，因为规律性很少，传统观点曾把它当成无规噪声处理。其实，它不是噪声，是由少数几个独立变量控制的。人们对脑电图的分维进行过系统的研究，发现大脑的功能状态不同，分维数也不同，清醒时和思维时维数较高，深睡时维数较低(见表7－1)。学习活动的前后，脑电图的分维也是变化的(见表7－2)。各种研究都表明，脑混沌是一种非常不稳定的混沌态，随着参数的不断变动，随时会有新的模式进进出出。这一点对脑的活动至关重要。另外，不同人的脑电图分维差异也很大，正常人较高，智力低下和精神有病者较低。如从吸引子的关联维数^[2]来看，正常人一般1．50左右，离整数最远;精神发育迟滞和老年性痴呆者，一般只有1．12～1．35。更有意思的是癫痫病人脑电图的关联维数近似等于2，是个整数!(见图7－3)。看来，脑子一根筋(一维)和平光板(二维)都不行，还是皱纹多些好。

表7－2　数学运算时脑电图分维的变化

图7－3　癫痫病人脑电图的关联维数

大脑的思维过程，是神经网络的自学习、自组织、自适应的作用过程。当人在外界信息刺激下时，神经网络便对此新来信息进行分析处理，并纳入已有的信息结构中，形成一个新的有序结构。这种有序结构对应一种神经网络的定态，但它是不稳定的定态。当神经网络从一种有序结构向另一种有序结构转变时，脑电信号便呈现出混沌状态。混沌态也不稳定，随着网络参数的变动，它随时会变到某种有序的态。实验表明，不同的人脑混沌态的特性也差别很大，主要表现在两个方面，一是从外界刺激到出现混沌的时刻(即延时)不同，一是混沌态持续时间长短不同。一般说，大脑生理功能越良好的人，文化水准越高的人，脑电混沌态的延时和持续时间也越长。

综上所述，越是大脑健康的人，其脑电图的混沌性态越明显。难怪精神病学家曼德尔说:“数学上的卫生其实是疾病，数学上的病态即混乱态才是健康”;还说他的最大兴趣就是献身于研究“人体中最混沌的器官，就是大脑”。