Вашият мозък се намира на границата на хаоса

В определен смисъл човек, на когото трансплантират сърце, няма представа за своя нов орган – неговата нервна система обикновено не се включва към системата му за комуникация.

40 000 неврона толкова съвършено контролират работата на сърцето и в такава степен са си самодостатъчни, че сърцето може да се изреже от едно тяло, да се присади на друго и то ще продължи безупречно да работи дори при отсъствието на външен контрол. И така ще продължава десет години, а може би и повече.

Това изглежда необходимо – части от нашата нервна система, управляващи най-важните функции, работят като швейцарски часовник – всичко се случва точно по разписание и без смущения. Хаотичното поведение е блокирано.

Но така ли е наистина? Две прости махала, движещи се с безукорна периодичност, могат да започнат да се движат по хаотична траектория, ако се свържат. Всеки от милиардите неврони в нашия мозък може да се представи във вид на махало, преминаващо от работна фаза във фаза на покой и свързано с 10 000 други неврона. Не означава ли това, че хаосът в нашата нервна система се явява неизбежен?

Подобен род перспективи предизвикват ужас. Хаосът е изключително чувствителен към първоначалните условия – достатъчно е да си спомним ефекта на пеперудата.

А какво ще стане, ако неправилни пертурбации необратимо ни потопят в състояние на безумие? Сред многото учени също съществува активна съпротива към идеята, че хаосът всъщност работи в биологичните системи. Мнозина от тях умишлено го изключват от своите модели. Той подкопава основите на изчислителния принцип (computationalism), тоест идеите, че мозъкът не е нищо друго освен основано на фундаменталните правила изчислително устройство.

Хаосът изглежда неподходящ като механизъм за биологична обработка на информацията, тъй като позволява на шумовете да се размножават без всякакви ограничения, което води до изкривяване на предаването и съхраняването на информация.

Главната функция на мозъка е в защитата ни от хаоса и в този смисъл той прилича на чадър

В същото време хаосът има своите преимущества. На поведенческо ниво надпреварата във въоръжението между хищника и плячката е изградила хаотични стратегии в нашата нервна система.

Малките пеперуди, чувстващи сигнала на ехолота на прилепите например незабавно започват да се отдалечават от източника на ултразвука. Невроните, контролиращи нейния полет, се възбуждат и започват да „горят“ все по-хаотично с приближаването на прилепа, докато самата пеперуда, произвеждайки резки движения, не се превръща в лутаща се смес от крилца и пипалца.

Обобщено може да се каже, че хаосът предоставя на нашия мозък значително количество способности да провежда изчисления и му позволява на висока скорост да изследва многобройни възможности.

Мотивирани от това, както и от други потенциални преимущества, както и с наличието на събраните факти, специалистите в областта на невробиологията постепенно започват да се съгласяват с потенциалната важност на хаоса в мозъка.

Хаос не е същото като безредие. Докато намиращи се в безредие системи не могат да бъдат предсказуеми, хаосът всъщност има детерминистки характер – съвременното състояние на системата определя нейното бъдеще. Но даже в този случай нейното поведение е предсказуемо само за кратък период от време – незначителни разлики при въвеждане водят до съвсем различен резултат.

Хаотичните системи също са способни да демонстрират стабилни модели, получили названието „атрактори“ (attractors), и търпеливият наблюдател е способен да ги забележи. С времето хаотичните траектории ще се стремят да се приближат към тях. Тъй като хаосът може да се контролира, той създава фин баланс между надеждността и изследването. Но тъй като хаосът е непредсказуем, той се явява достоен кандидат да бъде динамична основа на свободната воля.

Сходството със случайния безпорядък (стохастичност) се явява болезнен проблем за формалното изучаване на хаоса. От гледна точка на математиката съвсем не е просто да се направи разлика между тези две състояния – особено в биологичните системи.

Не съществуват определени тестове за хаоса, когато става дума за многомерни, флуктуиращи биологични данни. Уолтър Фрийман и колегите му били инициатори на най-първите изследвания, чиято задача била доказателство на съществуването на хаос в мозъка, но те направили крайни изводи въз основа на ограничени данни.

Така например Фрийман смятал, че невропилите, извънклетъчни комбинации на аксони и дендрити, се явяват орган на съзнанието – това във всеки случай е доста сериозно твърдение. Философите скоро се хванали за тази идея и дори резултатите на най-първите изследвания те възприемали без необходимата критика.

Статиите както на философите, така и на учените могат в еднаква степен да подхождат за цитиране както на Джиду Кришнамурти, така и на Анри Поанкаре, а към хаоса често се проявява почти мистично благоговение. В резултат се налага учените да се движат внимателно, за да ги възприемат сериозно.

Но търсенето на хаоса не е строго поетично дело. Най-убедителното потвърждение идва от отделната клетка. Така например гигантският аксон на калмара оперира или в режим на почивка, или в режим на повторяемо възбуждане – в зависимост от външната концентрация на натрия. Между тези две крайни положения той демонстрира непредсказуеми резки действия, напомнящи на блуждаещото поведение на хаотична траектория, докато тя не се свърже към атрактора.

Когато се прилага периодично въвеждане, гигантският аксон на калмара отговаря със смесена колебателна и хаотична активност. Хаосът съществува дори във веригите на клетките. Невроните, разположени в части от кожата на мишки, са способни да различават между хаотичното и безпорядъчното разтягане на кожата.

Още повече свидетелства за хаоса в нервната система може да се открият на ниво глобална активност на мозъка. По странен начин, подходящ за метафора на това поведение, може да служи металната пластина. Всеки от съдържащите се в нея електрони може да бъде насочен в различни посоки (казано по-точно, то става дума за техния спин).

Съседните спинове, както малки магнити, си оказват влияние един на друг. Ако пластината е студена, то в нея няма достатъчно енергия за преодоляване на влиянието на съседните спинове, и всички спинове се подреждат в еднаква посока, образувайки един здрав магнит.

Когато плочката се нагрява, всеки спин получава такова количество енергия, че то е способно да се избави от въздействието на съседа и по такъв начин въртенето се намира в безпорядъчно състояние.

Когато плочката е нагрята наполовина, тоест не е студена, но не е и гореща, тя се намира в т.нар. критичен режим. Той се характеризира с появата на флуктуационни области, състоящи се от еднакво въртящи се части, които демонстрират най-висока степен на динамична корелация, тоест най-добър баланс между способността на спина да въздейства на своите съседи и неговата способност да се изменя.

Критичното състояние може да се окаже доста полезно за мозъка, позволявайки му да изследва както реда, така и безпорядъка в своите изчисления, използвайки при това излишната мрежа с богата и силна хаотична динамика, както и работеща функция за изчисление на данни за стабилен превод на състоянието на мрежата в режим на въвеждане.

Критичното състояние в такъв случай се поддържа не с помощта на температурата, а с помощта на изместване на баланса към потискане, и в такъв случай мозъкът „замръзва“ и нищо не се случва. Ако съществува прекалено голямо възбуждане, то той се отпуска до състояние на хаос. Тази критична точка е аналогична на атрактора.

Но как можем да определим, че мозъкът работи на критично ниво? За подсказване може да се предостави структурата на сигнала, породен от активността на милиардите му неврони. Ние можем да измерим силата на електричната активност на мозъка на различни нива на колебания.

Оказва се, че силата на активността спада обратнопропорционално на честотата на тази активност. Някога това съотношение било наричано „шум“ 1/f – това всъщност е отличителна черта на системите, балансирани в критичните им точки.

Пространствената величина на регионите на координираната невронна активност също се намира в обратна зависимост от честотата и това е още една отличителна черта на критичността. Когато мозъкът се изтласква от режим на обичайно състояние с помощта на фармакологични средства, той обикновено губи тези отличителни свойства, а ефективността на координиране и предаване на информация се съкращава.

Философът Жил Дельоз и психиатърът Феликс Гатари казват: главната функция на мозъка се състои в това той, като чадър, да ни защитава от хаоса. Съдейки по всичко, той прави това с помощта на самия хаос. В същото време невронните мрежи също са способни да демонстрират почти безупречна надеждност, както това се случва с работещото сърце.

Порядъкът и безпорядъкът имат симбиотични отношения, а възбуждането на неврона може да става хаотично, докато паметта или възприятието не го насочат към атрактора. Сензорният вход в такъв случай служи за „стабилизиране“ на хаоса.

Всъщност използването на стимул съкращава вариативността във възбуждането на невроните при учудващо голямо количество различни видове и системи и се получава така, сякаш високата хаотична траектория се спуска на атрактора.

Благодарение на „опитомяването“ на хаоса атракторите могат да представляват стратегия по надеждност в чувствителната система. Неотдавнашни теоретични и експериментални изследвания на големи мрежи независими излъчватели също показали, че порядъкът и хаосът са способни да съществуват в удивителна хармония – в така наречените химерни състояния.

Тази изследователска парадигма в невробиологията, разглеждаща невроните в определен миг като стационарни бройни единици, а не като членове на движеща се динамична цялост, вероятно ще бъде напълно невярна. Ако хаосът играе толкова важна роля в мозъка, то в такъв случай невронните изчисления се изпълняват не като статистическо броене, а като строго движение от преобразуването на фотоните към опита на света, а като динамична траектория с големи габарити и като амплитудни танци в мозъка, разделени на ритъма в собствената хореография.

Докато стотици милиони долари се насочват към създаването на кънектум (connectome) – карта на мозъка с отчитането на всеки неврон – такива учени като Ева Мардер твърдят, че отчитайки сложността на подобни вериги, сама по себе си структурната карта няма да ни придвижи далеч. Функционалните връзки може да се появяват и изчезват в хилядни части от секундата.

Отделни неврони с времето очевидно изменят своите характеристики и затова не може да се получат данни с битова адресация, тоест те не могат да представляват някаква устойчива част от информацията, а вместо това действат в рамките на динамичен речник, който постоянно се измества, образувайки пространство за нови значения.

Хаосът ни дава повод да помислим за някои разстройства като за динамични заболявания и епилептичните припадъци се явяват най-ярък пример за вероятно несработване на хаоса. Хаосът също може да служи за показател на здравето на мозъка – така например специалистите са съобщили за появата на по-малко хаотична динамика в произвеждащите допамин клетки на мишки с мозъчните увреждания за разлика от здравите гризачи и това може да има последствия при диагностиката и лечението на Паркинсон, както и на други свързани с допамина разстройства.

Икономистът Мъри Ротбард казва, че теорията на хаоса „разрушава математиката отвътре“. Тя улавя човешките импулси и ги опростява, заменяйки ясните линеарни отношения, които ние търсим в природата, със заплетени и непредсказуеми.

По аналогичен начин хаосът в мозъка подкопава повърхностните и карикатурните схеми на човешкото поведение. Икономистите често възприемат хората като „рационални агенти“, като хедонистични изчислителни устройства, действащи в интересите на своето бъдеще.

Но ние всъщност не сме в състояние да действаме на основата на личния интерес – макар това да би било разумно поведение – защото показваме ужасни резултати в това, което се отнася до неговото определение. А и как бихме могли да го направим? Именно тази неспособност се явява причината, поради която ние сме това, което сме.

Nautilus