打字猴:1.700957469e+09
1700957469 传统上,有关心室颤动有两种思路。一种经典思路是,那些与窦房结发出的主信号相冲突的次级节律信号来自心肌组织内部的某些异常起搏点。这些微小的异位起搏点以不合时宜的间隔发出电脉冲,而由此产生的信号互动和重叠一直被认为是导致不能形成协调有效的收缩的原因。麦吉尔大学的科学家所做的研究为这种思路提供了某种支持:外部脉冲与心肌组织内在的节律之间的互动确实可以催生出各式各样的动力学异常行为。但至于为什么当初会有次级起搏点,这个问题则一直难以解释。
1700957470
1700957471 另一种思路关注的不是电脉冲的来源,而是它们传导经过整个三维心脏的方式,哈佛大学和 MIT 合作项目的科学家便更接近这个传统。他们发现,脉冲波在推进过程中出现的异常,比如波面破碎形成打转的小圈,可能导致“折返”现象,使得某些已经脱离不应期的区域过早开始一次新的搏动,从而打乱了心脏维持协调有序的泵血所需的收缩和舒张节奏。
1700957472
1700957473 通过借鉴非线性动力学的方法,这两个团队的研究者都已经意识到,某个变量上的一个小改变(或许是发放电脉冲的时机或心脏的电传导率上的一个改变),就可能将一个原本健康的系统推过一个分岔点,使之表现出一种性质上全新的行为。他们也开始试着为从整体上研究心脏问题的做法奠定共同基础,将之前被视为不相关的心律失常类型联系起来。不仅如此,温弗里还相信,尽管它们的关注点有所不同,异位搏动一派和折返一派都是正确的。他的拓扑学视角表明,这两种思路可能是一回事。
1700957474
1700957475 “动态的事物一般是反直觉的,心脏也不例外。”温弗里这样说道。24 心脏病学家希望,相关的研究会给出一种科学方法来识别心室颤动发病的高风险人群,设计心脏除颤器和进行药物治疗。温弗里也希望,对于这些问题的一种整体性、数学化的视角会促进一门在美国尚不成形的学科——数理生物学的发展。
1700957476
1700957477 24温弗里。
1700957478
1700957479 现在,有些生理学家开始谈论所谓的动力学疾病:生理系统的失序、协调或控制的出错。“原本正常振荡的系统现在停止振荡,或开始以一种新的、意料之外的方式振荡,而原本正常不振荡的系统现在开始振荡”,这便是其中一种表述。25 其综合征包括各种呼吸障碍:喘息样呼吸、叹气样呼吸、潮式呼吸,以及婴儿呼吸暂停(与婴儿猝死综合征相关联)。还有各种造血功能障碍,包括一种特殊的白血病,其中白细胞、红细胞和血小板的数量出现了周期性振荡。有些科学家还猜想,精神分裂症,连同有些形式的抑郁症,可能也属于这个范畴。
1700957480
1700957481 25Leon Glass and Michael C. Mackay,“Pathological Conditions Resulting from Instabilities in Physiological Control Systems,”Annals of the New York Academy of Sciences 316 (1979), p. 214.
1700957482
1700957483 但生理学家也开始将混沌视为健康的。人们很早以前就已经意识到,反馈过程中的非线性起到了调节和控制的作用。简单来说,一个线性过程,如果稍微受到推挤,就会趋向于始终稍微偏离原来的轨道;而一个非线性过程,如果受到同样的推挤,就会趋向于回复到原来的轨道。克里斯蒂安·惠更斯,那位帮助发明了摆钟和经典动力学的 17 世纪荷兰物理学家,就意外发现了这种控制的一个经典例子(或至少标准说法是这样的)。惠更斯有一天注意到,安在一面墙上的两部摆钟实现了完美同步。他知道摆钟不可能做到这样精确。当时已有的对于单摆的数学描述无法解释这种秩序从一个单摆到另一个单摆的神秘扩散。惠更斯于是猜想(并且他也猜对了),两部摆钟是通过沿着木质墙面传递的振动实现协调的。这种一个规则周期与另一个规则周期相锁定的现象,如今被称为偶联(entrainment)或锁模。锁模解释了为什么月亮总是以同一面对着我们,或者更一般地,为什么卫星的公转周期与自转周期的比率趋向于是整数比:1∶1、2∶1 或 3∶2。当这个比率接近于一个整数比时,对卫星造成的潮汐力中的非线性趋向于将它锁定。锁模也广泛见于电子学,举例来说,正是它使得收音机得以锁定信号,哪怕信号频率出现了微小波动。锁模还解释了为什么多个振子,包括生物振子(比如心肌细胞和神经元),能够实现同步运作。自然界中一个令人叹为观止的例子是,一种东南亚萤火虫会在交配季聚集到树上,成千上万的个体会同步闪烁,给人如梦似幻之感。
1700957484
1700957485
1700957486
1700957487
1700957488 ©Jame A. Yorke
1700957489
1700957490
1700957491
1700957492
1700957493 ©Jame A. Yorke
1700957494
1700957495 混沌和声
1700957496
1700957497 不同节律(比如,无线电频率或天体轨道)之间的相互作用会生成一种特殊的混沌。这幅图及对页上的图便是三个节律相互作用所形成的一些“吸引子”的计算机图像。
1700957498
1700957499
1700957500
1700957501
1700957502 ©Theodor Schwenk
1700957503
1700957504
1700957505
1700957506
1700957507 ©Theodor Schwenk
1700957508
1700957509 混沌流
1700957510
1700957511 用一根棍子缓缓地笔直搅过一种黏性流体,会生成一种简单的波状图样。如果多搅几次,就会出现更复杂的图样。
1700957512
1700957513 在所有这些控制现象中,一个关键议题是稳健性:一个系统在面对小的扰动时应对得如何。但在生物系统中,同样关键的是灵活性:一个系统在一个广大范围的频率下运作得怎样。锁定单一一个模式可以是一个劣势,使得一个系统无法适应改变。生物体必须及时应对变化快速且不可预测的外部环境,所以心跳或呼吸节律不可能锁定那些最简单的物理模型所给出的严格周期性,体内其他更隐秘的节律也是如此。有些研究者,比如哈佛大学医学院的阿里·戈德伯格就认为,健康的动力学有赖于分形的物理结构,就像肺部的支气管网络以及心脏的电脉冲传导网络,因为它们允许存在一个大范围的节律变化。联想到罗伯特·肖的理论,戈德伯格注意到:“与标度的、宽带的频谱联系在一起的分形过程是‘富含信息的’。与之相反,周期性状态则反映了一些窄带的频谱,由单调、重复的序列所定义,因而是缺乏信息内容的。”26 他及其他生理学家指出,治疗这些疾病的关键可能就在于扩充一个系统的所谓频谱储备(spectral reserve),也就是其能够在许多不同频率上变化,而不至于落入一个被锁定的周期性频道的能力。
1700957514
1700957515 26Ary L. Goldberger, Valmik Bhargava, Bruce J. West, and Arnold J. Mandell,“Some Observations on the Question: Is Ventricular Fibrillation‘Chaos,’”preprint.
1700957516
1700957517 阿诺德·曼德尔,那位曾经为贝尔纳多·休伯曼对于精神分裂症患者的眼球运动的解释进行辩护的加州大学圣迭戈分校精神病学家和动力学家,对于混沌在生理学中的作用说得甚至更进一步:“有没有可能,数学上的病态,比如混沌,其实是健康的?而数学上的健康,也就是对于这样一类结构的可预测性和可区分性,反而是病态的?”27 曼德尔早在 1977 年就转向了混沌,当时他发现人脑内某些酶的“怪异行为”只能通过非线性数学的新方法加以解释。他也鼓励人们从这样的角度来研究这些蛋白质分子振荡的三维缠结;他认为,生物学家不应该将这些分子理解为静态结构,而是应该将之理解为动态系统,它们有可能发生相变。按照他自己的说法,他是混沌的一个狂热分子,而他的主要研究兴趣一直是所有器官中最混乱的。“在生物学中,当你达到一个均衡时,你也就是死了,”他说道,“如果我问你,你的脑是否是一个处于均衡的系统,我只需要求你试着在接下来的几分钟时间里不要去想大象,然后你就会明白它不是一个处于均衡的系统了。”28
1700957518
[ 上一页 ]  [ :1.700957469e+09 ]  [ 下一页 ]