Biologi och kaos
Hur går det till när en varelse upplever en sak med sina fem sinnen, och känner igen den? Vad är det som får det att vattnas i munnen då man känner lukten av en biff? Svaret på desaa frågor kan mycket väl vara kaos.
I en artikel i Scientific American, februari 1991, beskriver Walter J. Freeman, professor i neurobiologi vid University of California, hur han tror att hjärnan reagerar på och känner igen en viss lukt.
De första stegen i ett djurs luktigenkännande är kända sedan flera år. När luktmolekyler kommer i kontakt med luktigenkänningsceller i näsan/nosen, reagerar dessa (förutsatt att det är rätt sorts lukt: liksom tungan är uppdelad i olika smakområden, är näsan det i luktområden (detta medför också problem så till vida som att man aldrig kan vara säker på att en viss lukt skall ge upphov till ett visst antal signaler varje gång (alltså: nå fram till ett visst antal celler som känner igen den), eftersom turbulens (kaos) i näsan fluttar luften slumpmässigt)) och skickar en signal till cortex. Här tas den om hand av lukt-bulben. Bulben tittar efter vad det är för sorts meddelande och gör ett eget, som det skickar till den del av cortex som har hand om lukten, vilken i sin tur skickar signalen vidare till ett flertal ställen, bl.a. de som har hand om samordningen av olika sinnesintryck (och som är ansvarigt för kopplingen av en lukt och en annan stimuli -- exv. vår känsla för mat när vi luktar stekos).
En av de viktigaste elementen i ovanstående process är bulben. När en signal kommer till denna, ger den upphov till ett visst mönster av signaler som skickas vidare till cortex. Detta mönster, som Freeman mötte genom att placera elektroder i cortex, kan beskrivas i form av regelbundna kurvor. Det intressanta här är dock inte utseendet på dessa kurvor, det varierar även om djuret utsättsa för samma lukt, utan deras frekvens och amplitud. Det visar sig nämligen att frekvensen när cortex inte har fått några stimuli är mycket oregelbunden och håller sig inom relativt låga värden, medan den, så fort en lukt vidarebefordras dit, utsätts för en kraftig ökning, till mellan 20 och 90 Hz.
Men om kurvornas mönster inte förmedlar någon information, vad gör det då? Inte frekvensen, den är alldeles för enkel för något så komplicerat, utan amplituden. Eller rättare, medelamplituden på ett antal punkter runt om i cortex. Freeman har nämligen kunnat visa att att denna är den samma om ett djur utsätts för samma stimuli. Amplituden ändras dock om djuret tränas att förknippa lukten med en viss sak, vilket visar att vår upplevelse av en lukt inte bara beror av hur lukten är, utan också av vad vi upplever lukten som.
Detta förklarar Freeman med att synapser mellan de neuroner som stimuleras om en signal (alstrad av en viss lukt) samtidigt som försöksobjektet lärs att förknippa lukten med något, lär sig detta och, om samma signaler kommer en gång till förstärker de impulsen innan de skickar den vidare. Andra saker som spelar in för vår förmåga att upptäcka och reagera på dofter är hur alert vår hjärna är, vilket naturligtvis spelar en stor roll för all hjärnaktivitet, samt hur själva signalen till neuronerna ser ut. Det är nämligen så, att om man ökar signalernas värde till ett neuronområde (det gäller inte för enskilda neuron, bara för gruper av dem) med 10 enheter, så är ökningen av de signaler som området släpper ut inte konstans, utan beror av det nuvarande värdet. (Undantag: om insignalerna är alltför låga uppkommer ingen signal, och om de är alltför höga för utsignalen full styrka (detta stämmer med att en enskild neuron bara känner två lägen: helt avstängd eller helt på).)
Processen är också delvis självstimulerande: en del som stimuleras av en annan stimulerar i sin tur också den första. När sedan cellerna här har ett tillräckligt högt värde, skickas signalen vidare från bulben till cortex, som nu måste skilja den från bakgrundsbrus.
Detta gör den genom att den inte lyder under samma lagar som bulbens neuron: de axon som leder signalen in delas alla upp i tusentals delar, som alla sänder hela signalens styrka till ett mottagande neuron. Ungefär samma process som i bulben upprepas nu här: cortex skickar information vidare till övriga delar av hjärnan genom att själv genomgå en stöt av samma typ.
Men var ligger kaoset i detta? En av de första -- och mest övertygande -- bevisen för att kaos var inblandat i denna process var att det alltid fanns en oregelbunden kurva i bulben, oavsett om den utsatten för stimulans eller inte. Denna kurva skapades alltså av bulben själv, vilket är ett av ett kaotiskt systems egenskaper.
Ett annat bevis var förekomsten av attraktorer i systemet. De snabba fasförändringar som är möjliga i systemet leder, om man ritar upp dem i ett fyrdimensionellt plan (tre rumsdimensioner plus illusionen att olika färger representerar olika värde på ännu en dimension -- jämför Mandelbrot-mängd-bilder) och förbinder punkter, 1 mikrosekund åtskilda i tiden, representerande lika amplituder med varandra, till att man får ett diagram som är typiskt kaotiskt: det är varken slumpmässigt (vilket skulle visa sig i att punkterna låg överallt på grafen) eller leder till ett stabilt tillstånd (i vilket fall figuren som bildas skulle vara enkel, förutsägbar i varje punkt) utan ger en kaotisk attraktor. Teorin är att det är dessa attraktorer som bestämmer hur vi uppfattar en lukt: lukt-systemet sparar en sådan för varje lukt vi utsatts för och stämmer sedan av varje ny mot dessa.
Att kunna visa att kaos styr även våra sinnesorgan (det är visserligen bara visat för lukt-systemet, men det finns inget som tyder på att det inte stämmer även för de andra sinnena) är visserligen en stor bragd, men hur uppkommer detta kaos?
Även denna fråga har man lyckats komma med ett svar till -- om än ett icke-bevisat (eller bevisbart?) sådant. Freeman och hans grupp tror att kaoset beror på att två delar av hjärnan (bulben, cortex) stimulerar/stimuleras av varandra, samtidigt som de inte kan enas om att göra det på en viss frekvens, vilket skulle leda till att signalerna slutade så småningom. Andra saker som påverkar hjärnans kaos är huruvida det finns känslighetshöjande kemikalier i områdena vilka leder till att mindre signaler kan spåras -- kaos är ju "sensitivt beroende av begynnelse-villkoren.
Även inom neurobiologin finns alltså kaos verksamt, men vad är meningen med det? Varför finns det där? I slutet av sin artikel spekulerar Freeman i om det inte är just det kaotiska i människans hjärna som gör oss medvetna -- som gör det möjligt för oss att (omedvetet eller medvetet) välja att reagera på bara vissa stimuli. För om vi reagerade fullt ut på allt som omgav oss, skulle vi inte kunna överleva -- våra hjärnor skulle trasas sönder av oändlighetens mångfald.