资源描述：
《人脑智能产生的非线性机制_脑混沌与脑自组织》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第14卷,第4期科学技术与辩证法Vol.14,No.41997年8月Science,TechnologyandDialecticsAug.,1997·自然科学中的哲学问题·人脑智能产生的非线性机制X——脑混沌与脑自组织陈忠李金琳章琪内容提要人脑智能系统是世界上最复杂、功能最强的信息系统,人脑智能的出现是人脑中非线性相干的结果。混沌和自组织是人脑智能系统的两种基本运动形式。脑混沌为发散性思维提供了基础,而脑中的自组织则使思维具有有序性和条理性,并产生特定的思维模式。人脑中的混沌和自组织是分层次的,上一层次为下一层次提供条件和环境,
2、并对它起调节控制作用,使其在布满吸引域的问题空间中进行搜索选择,由此完成信息的加工和处理。人脑中的有序活动对外表现为人所独有的智能。关键词智能系统混沌自组织问题空间思维模式引言人脑的结构是世界上最复杂的结构,人脑的智能是世界上最奇妙的功能。为了搞清人脑的结构和功能,人们已经进行了长期艰苦的探索。甚至每当科学史上提出一种新的理论时,人们就试图用它来解释和研究人脑。本世纪下叶以来,系统科学、非线性科学发展迅速,为研究复杂系统提供了有力的武器。其中对混沌、分形和自组织的研究更激动人心。人们自然想到用这些新武器来攻克大脑的奥秘。近年的研
3、究发现,正常思维活动的脑电图竟然是混沌的,而且测定了脑电图的分形维数和各种复杂度,并揭示了它们与思维、意识、乐感、气[1]功等之间存在某些联系,这预示着非线性系统理论在大脑研究中有着广阔的前景。但是,大脑极其复杂的结构与功能使我们不得不谨慎从事,眼前的成功离搞清人脑的秘密还有很长的距离,仅仅把脑的活动与混沌、自组织、吸引子等联系起来还不足以说明太多的问题,搞清它们的内在联系、运行规律和机制才是关键所在。一人脑中的混沌混沌现象是非线性系统的一种典型现象,它的最大特点是对初始条件具有极大的敏感性。它给人的印象是混乱和不稳定。如果这样
4、的现象在流体运动(如气象)、经济行为(如股票)中被发现,这是不足为怪的。但是,人们发现,一个正常思维人的脑电图却也是混沌的,而一个病态人脑(如一个正在发癫痫病时的脑)的脑电波则呈现规则的周期性。为了进一步搞清脑电图与脑功能间的关系,一些研究者测定出了不同情况下的脑电图的分形维数和Kolmogonov复杂度,以及相应的Liyapunov指数。他们将脑的活动分为四种典型的状态:准备回答问题时的状态;正在问题求解时的状态;休息放松时的状态;深度入睡时的状态。实验表明:在第一种状[2]态时分形维数、指数、复杂度都较高,第二种时最高,第三
5、种时较低,第四种时最低。这说明正常思维的脑电X本文受上海市高校自然科学基础研究基金资助。·22·图不仅是混纯的,而且思维活动越“激烈”越紧张,脑电图的混沌程度和复杂程度也越高。怎样解释这些实验结果?怎样把正常思维的有序性、条理性和混沌联系起来呢?我们认为:1.人脑中混沌运动是“正常”行为。非线性现象广泛存在于自然界和人类社会以及思维领域。不难证明,任何一个包括三个或三个以上“成员”的系统中,非线性相干都是不可避免的。从控制论的角度讲也是如此,只要系统内外存在反馈回路,就必然出现非线性。而反馈最基本的含义就是“相互作用”。相互作用
6、是无处不在的。但是,严格地讲,存在非线性相干的系统并不一定就作为非线性系统来研究。大量非线性效应可以忽略的系统人们仍按线性系统来处理。科学意义上的非线性系统是指一类非线性作用在其中起主导作用的特殊系统,在这类系统中的反馈和非线性相干需达到一强度,非线性作用原则上不能被忽略或简化为线性作用。人脑智能系统就是这样的非线性系统。1224从组成来看,它包含了大约10个神经元,每个神经元又与10～10个神经元相联系,每对相互作用的神经元又都会受到其他神经元的影响,从而产生大量的“三体问题”和“群体问题”。可见大脑中存在非线性相干机制是十分
7、“自然”的。从行为上看,非线性系统在行为上存在许多不同于线性系统的特殊表现。按照美国LosAlamos国家实验室非线性科学中心主任D.K.Campbell1987年的说法,非线性现象有三大“范例”:拟序结构和孤立子,确定性混沌和分形,复杂的图形和图象。拟序结构反映了惊人的有序性;混沌说明了奇妙的无序性;复杂图形代表了两者间的巨大斗争。1990年Campbell又将“范例”补充为四个:将自适应、自复制、自组织、自学习也包括了[3]进去。这一补充就把把非线性现象扩充到了生命和社会的广阔领域,从而使大脑的结构与行为“自然地”进入了非线
8、性科学研究的范畴,并且成为其中最引人注目的课题。在非线性现象的四大范例中,混沌和分形是目前研究得最多,也最有成效的。它们在自然界和人类社会中存在的普遍性早已被大量实例所说明。引言中提到的研究结果从实验上表明不仅具有混沌、分形、自组织等典型的非线性效应,而且这些效
