心脏也有混沌

心脏也有混沌

正常心脏由左右心房和左右心室4个腔组成，每个腔主要由心肌包围而成。位于右心房的窦房结可以自动发出有节律的兴奋(是个电脉冲，称作动作电位)，它的节律(称心律)决定心搏率(心跳频率，称心率)，大约在每分钟60～100次，这是心脏的主要振源。它的振动是固有的，甚至把心脏摘除放在培养液中，也仍然能够继续跳动。房室交界处的房室结和下面心室上的纤维结都可能是潜在的振源，但它们的固有频率较低。因此，整个心脏是由多个振子耦合成的的复杂系统。但正常情况下，窦房结的电振荡起着支配作用，它产生的兴奋传导至房室纤维，引起整个房室的肌细胞发生兴奋，产生机械收缩。然后经人体组织传导到体表，并可进行测量，描绘出心动电流图，即心电图(见图7－4)。这是当今诊断心脏疾病的重要手段，心电图的正常与否，反映一个人的心脏是否健康，而心脏健康与否，决定着一个人健康状况甚至他的寿命。正常的心电图反映出的心律是周期的，若出现严重失常就是病态，有的甚至会导致死亡——那是心脏的平衡态;但正常人的心律也不是严格周期的，若真的出现严格周期心律，人就病危了。这两种情况都与心脏的混沌有关。

图7－4　典型的心电图

心室纤维性颤动

健康人的窦性心律是周期的。医学临床上经常见到的心律失常，种类较多，原因各异。有的心律不齐，表现出早搏或间歇;有的心率过速或过缓;有的发生于窦房结，属于窦性的，有的发生于窦房结以外的心房肌、心室肌和房室结。一般窦性心律不齐并非病态，但发生于心室的心律不齐，叫做心室纤维性颤动，却是非常危险，也是最难预防的，它是导致心脏猝死的病因。它的危害很大，仅美国每年就有几十万人猝死于心室纤维性颤动。长江把中国冠心病病人分成两大类，长江以北的冠心病病人多死于心肌梗塞，而长江以南的冠心病病人则多死于心律不齐。

心室纤维性颤动发生时，各处心肌杂乱无序地异步收缩，心脏像是一口袋活蚯蚓在乱动，在痛苦中折腾，心肌不协调舒缩，泵血能力丧失，心电图既乱又弱，如果持续5分钟以上，必然导致死亡。图7－5是正常心律转变为心室纤维颤动的心电图。

图7－5　正常心律转变为心室纤维颤动的心电图

纤维性颤动的一个令人迷惑不解的特点是，心脏的各个元件都能正常工作:心脏起搏的结点继续放出规则的电脉冲;单个心脏肌肉细胞对信号仍然能正常响应，接受刺激并传送下去，然后等待下一个。在尸体解剖中也看不出肌肉组织的任何缺损和病变。这正是混沌学家认为必须用新观点从整体上考虑的理由:心脏各部分工作正常，说明非器质性病变;整体行为上出现了差错，复杂系统的动力学性态发生了变化，说明是系统失调病，也就是混沌态。这种混沌是危害生命的。

心室纤维性颤动这种混沌态，是稳定的，心脏自己不会自行停止，只能用除颤器通过电击消除，也就是依靠外界的巨大扰动迫使心脏返回定态。但是除颤器的设计，包括电击的强度和波形，纯粹凭经验进行，缺乏理论依据，带有盲目性，使用不当反而出现大事故。一次电击可以使纤颤病人停止纤颤，也可以使正常人的心脏进入纤维颤动。1914年加拿大麦克基尔大学28岁的研究者闵纳斯，制造了一台小型的能产生有节律电脉冲的仪器，用以刺激心脏。他在做人体实验时以自己为对象，在一天傍晚自己做实验时不幸丧命。看门人发现时，他胸前正对心脏处连接着仪器，另一台仪器正在记录他的心脏渐渐趋近停跳的过程。

20世纪70年代该校的格拉斯(L．Glass)和他的同事们，改用鸡心做实验。他们从7天龄的鸡胚胎中取出细小的心肌细胞集团，用组织液培养。这些心肌细胞集团能自发搏动，其固有周期接近1秒。他们用一根极细的玻璃管制成微电极，可以插入一个细胞内，加以电脉冲进行刺激，其强度和频率都可以调节。他们在实验中发现了倍周期分岔，观测到了锁频现象，进行了理论分析，结论是:(1)外界刺激极弱时，不易实现锁相，鸡胚心处于准周期振荡;(2)当刺激适当增强，锁相区加宽，锁相可能性增大，但只有外周期等于或接近固有周期的整数倍，即满足共振条件时，才能实现锁相;(3)当不满足共振条件时，多个锁相区与准周期区重叠，振荡变得极为复杂而进入混沌态。这些与混沌的一般理论相吻合。

哈佛大学与麻省理工学院医学科技合作项目的研究人员柯亨(R．J．Cohen)，是一名心脏病专家，也是一名物理学家，他用狗做实验，也找到一系列的倍周期心搏，并用计算机进行模拟研究，确认是费根鲍姆现象的一个例子。说明心脏中的电活动，与许多其他混沌系统类似，一个规则的现象在一定条件下可以变成混沌。

现在心脏病学专家的任务是，寻找一种科学方法，在纤颤来临前就能预报它，设计更灵巧的除颤器，研制有效地治疗和预防药物。

心律波动(心率变异)

正常人的心电图表明，心律是周期性的。但若仔细观测，尤其是较长时间的跟踪观测，就会发现健康人的心律周期都是有波动的，也称作心率变异。它的表现是连续心跳的瞬时心率有微小涨落，即使在静息状态下，心率也不是恒定不变的。这与心律不齐是不同的。我国学者吕可诚等人对健康人和心脏病患者心率变化进行了系统的比较研究，绘制了心脏系统的相空间轨线图。发现健康人相空间轨线，都是十分相似的，其特征是复杂性，它们扭曲缠绕在一定范围内，表面看似很混乱，细观测都有丰富的层次结构，具有奇怪吸引子的特征，如图7－6所示。这说明健康人的心率是混沌式的。

图7－6　健康人的心搏奇异吸引子

图7－7　低波动心脏病人的心搏轨线图

心脏病患者心脏搏动的相空间轨线图却千差万别，但可以分为两大类:一类是心律波动小，如图7－7所示，其结构比较简单，在相空间所占范围很小，而且病情越严重空间范围越小。如果吸引子收缩到一个点，说明心率恒定，病人处于病危状态。另一类是心律波动较大，在相空间所占范围较大，但结构又不复杂，十分像一个一维吸引子，如图7－8所示。说明他的心搏是一种有规律的周期运动。

图7－8　高波动心脏病人的心搏轨线

国外学者的研究也证明，正常的心律搏动实际是混沌的，如果将一天中正常心率变化记录下来并绘制成图，就会发现这种时间序列的曲线凹凸不平，极不规则，似乎是随机的。但若在不同的时间段上观测这种图，例如几小时或几分钟，发现心率波动显示出具有自相似性，就是说具有分形结构。这也表明控制心率的机制是一种固有的混沌行为。心律波动的混沌行为和心室纤维性颤动不同，但和脑电信号混沌行为很类似，是健康人所具有的混沌。其实，这类混沌远不止这两种。现在研究者发现，健康人的白细胞逐日变化，也呈现出混沌的特征，而某些白血病病例的白细胞数反而呈现出周期性变化。还有呼吸系统、嗅觉系统和血液流动、胃电信号等等，都有类似的情况。

为什么心律和脑神经系统所控制的其他系统都会显示出混沌特征呢?原因在于混沌系统有许多优点，它可以在范围十分广泛的各种状态下工作，因而它具有高度的适应性和灵活性，从而使得系统可以应付各种不可预见的种种环境变化。这就是说抗干扰性强，这是人或生物生存能力所要求的。心脏搏动和呼吸节律等许多人体节律，都不允许锁定在一个极简单的周期之中。否则的话，生命锁定在单一模式，失去适应环境变化的能力，也就降低了生存能力。同时，信息也是单调的。哈佛医学院的戈尔德伯格(A．L．Goldberger)就曾指出:健康的动力学标志就是分形物理结构，它的频谱范围宽，信息量丰富;治疗疾病应着眼于拓宽一个系统的频谱储备。精神病学家曼德尔“混沌态才是健康”的说法，也是这个意思。人的头脑之所以丰富。思想情绪变化万千，人各种系统之所以能适应环境变迁，原来全依赖于人的脑、心及各种系统的混沌状态。在此意义上说，生命在于混沌!

但是，心室纤维性颤动那样的混沌又对生命是极危险的。所以，人与混沌密切相关。该有的混沌绝对不能失去，不该有的有又绝对不能拥有，这才是健康之道。对病理的混沌学研究，向一些被长期公认的医学原理提出了挑战。比如经典的体内平衡理论认为，在正常稳定状态下生物血管系统和许多其他生理系统都是稳恒的，只有在外部条件影响下才会变化，生理系统本身的运转要尽量维持其稳恒态而降低或消除不稳定性。但大量的生理混沌研究表明，许多生理系统的功能状态不是那么回事。混沌现象的发现，为人类认识自身保护自己开辟了新的视野，很多过去令人迷惑的现象，从混沌理论中找到了答案，也为寻找新的病疗方法提供了理论基础。