生物声呐及其他感觉系统的不动点处M效应

研究微观与宏观，不在于对它们之间层次的划分，而在于正确了解它们之间的关系。一般认为，微观的分子运动不会影响宏观运动，现有文献中有关物理、生化等的这些分析对于稳定系统应该是正确的。正因为如此，统计热力学的“思想”被广泛采用。同样，非平衡热力学、自组织理论受到热捧，因为它们起到了“杂乱无章”与“有规律性”的桥梁作用［26］。

如果有一个“不稳定和不确定”的观点，考虑到宏观系统本身的不稳定性，则微观与宏观又会多一个关系，为讨论方便，我们称它为M 效应（或M现象），这是神经系统中一个十分重要的现象，不稳定系统中的很多地方都能产生M 效应。

1.分岔点处的M 效应

要讨论M 效应，还是先来复习一下第2 章讨论的倒立摆（见图2.3）。质量为m 的小球处在垂直线上，相当于处于图2.7（a）中①的势函数原点处。当m 太大时，小球就会向两边倾斜。现在要问：倒摆究竟会向哪一边倾斜？这个问题现有的数学没有分析过。此时，任意微观上的涨落，如小球两边受到气体分子的碰撞力，若其中有一边的力多一点（这是微观上的分析），就可以决定宏观上小球的运动方向，倒摆就会向某一方向倾斜。微观上的随机涨落不断被放大，最后会成为宏观上的运动，此时宏观将直接受微观的影响。这种现象是在非线性动力学中被提到过，在自组织理论中也经常被提到的“随机涨落”现象，虽然它没有引起大家的重视。为了便于讨论，把分岔点处这种微观能直接“控制”宏观的现象定义为分岔点处的M 效应。对倒摆在分岔点的描述更确切地说是分岔点处的M 效应。但是M 效应还有另一层意思，后面还会接着分析。这一现象也许是分析高层次信息的基础之一。

2.不动点处的M 效应

图2.3的小球只趋向于两种状态运动，但对于不稳定的不动点（焦点和节点）（见图13.1），从一个不动点处出发，可以有无穷多条轨道，但无法预料不动点究竟往哪一条轨道运动。站在定性分析的角度，根本不用去考虑不动点是往哪一条轨道出发的。可是在具体的神经系统中，出现的是一条条实实在在的脉冲序列（轨道）。人们必须明确地掌握轨道产生的原因和每一条轨道的状态，否则便无法了解神经编码。这里同样存在M 效应。微观的一些随机涨落可以被无限放大，使系统在“无任何原因”的情况下产生宏观上的种种不同轨道。这种现象被称为不动点处的M 效应，严格地说是不稳定不动点处的M 效应。

图13.1　不稳定的不动点

3.不稳定轨道中的M 效应(www.xing528.com)

微观不仅仅可以在临界点处控制宏观变化，在任何一条不在临界点处的不稳定轨道上同样存在M 效应。微观的涨落可以使系统离开原有轨道。随着时间推移，系统越来越偏离原有的轨道，表现出微观可以控制宏观的效果，这就是不稳定轨道中的M 效应。这种M 效应也可与初值敏感性和参数敏感性联系起来，只是M 效应主要针对微观与宏观的关系，而初值敏感性仅仅指初值的微小扰动，这一扰动一般是指宏观上的扰动，并非一定指微观变化。

为什么神经脉冲序列总是不确定的？这种不确定有何意义？如果系统是稳定的，则这些不确定什么意义也没有，因为这些变化都是围绕稳定轨道的左右摆动，与不摆动没有本质上的差别，摆动轨道的统计结果仍然会很接近真实稳定的轨道。如果系统是不稳定的，则其中输出的神经脉冲序列就会随机变化，这与自由意志就很接近了。微观对宏观的影响实在太重要了。但是没有不稳定，就没有微观对宏观的影响问题，就没有M 效应，也不会有自由意志和灵感的产生。

埃克尔斯等注意到脑的随机性，因此引入了量子力学的概念，因为量子力学中已经引入了随机性。在神经系统中，量子力学如能起作用，则自由意志就好解释了。量子力学究竟在神经系统中如何起作用？有人认为这种量子效应可能是在突触处产生的。如果是在稳定系统中，那么任何量子效应都将不起作用。

4.宏观对微观的反影响——M 效应的另一面

宏观能影响微观，这是神经系统中M 效应的又一特点。人们不能控制微观上的每一分子或子系统的运动，但在一定条件下，宏观也可以影响微观运动。在自然界中，有很多宏观对微观产生影响的情况，把系统从平衡态变为非平衡态，就能影响微观运动。例如，改变温度可以影响气体分子运动的速度；在一个静止的高压容器内，气体分子的运动方向是随机的，如果在高压容器壁处开一小孔，气体会单向地从该孔流出（即使气体分子朝一个方向运动）。这些都是宏观对微观的影响。

当然，在脑中，M 效应的宏观控制作用形式有很多，如人的情绪好坏会影响系统运动轨道的走向（如决策）等，决策过程就是在分岔点处的运动过程。这种微观和宏观之间复杂的相互作用，形成了神经系统中很多捉摸不定的现象。

还需要强调一点，M 效应不能用动力学描述，也不能用随机概率理论来分析，但是它能通过神经回路表现出来。