复杂性系统医学—未来医学研究的新领域(一)

1、复杂性系统医学 未来医学研究的新领域 （一）【摘要】复杂性理论作为一门跨学科的理论，已引起各领域研究学者 的关注。很多研究学者开始致力于探索这个新兴理论，力求来解决本 学科的一些课题。著名的物理学家霍金曾预言， 21 世纪将是复杂性的 世纪。当医学界的研究学者发现越来越多的医学研究过程中的问题无 法用简单的还原论方法解释的时候，便把目光投向了复杂性理论，目 前大量的研究成果证明，复杂性理论应用于现代医学的研究的确是可 行有效的。本文简要介绍了复杂系统的一些基本概念，应用于医学研 究的背景及理论思想，着重讨论了复杂性系统理论应用于医学领域的 现状，并对其研究的前景和趋势作了预测。【关键词】复杂性

2、系统还原论不确定性混沌状态计算机模拟【 Abstract 】 Complexitytheory,asaninterdisciplinarytheory,hasbeenattractedbyscholarsi ndifferentareas.Manyscholarshavebegantoexplorethisnewtheory,withthein tentionofapplyingittotheirownresearcharea,andhelpingtosolvesomeproble ms.AsAmericanfamousphysicistHawkingpredicted:the21stcent

3、urywillbethe centuryofcomplexity.Whenmedicalresearchersdiscoveredthatmoreandmor eproblemsarehardtointerpretedonlybythesimplereturntooriginalstatemeth od,thenwenttothevisionthecomplextheory,alotofresearchresultsprovethatt hecomplexityofthetheoryappliedtothestudyofmodernmedicineisindeedfea sibleandeff

4、ective.Thispaperintroducessomeofthebasicconceptsofthecomplexsystem,thebackgroundandtheoreticalthinkingusedinmedicalresearch,foc usedondiscussingtherecentresearchachivementsofcomplexityofthesystemt heoryusedinthefieldofmedicine,attheendofpaper,makesomeprospectsandf orecastingforitsfutureresearchandtr

5、end.【 Keywords 】 complexsystem;returntooriginalstatetheory;undeterminism;chaoticstate;c omputersimulation 近年来，复杂性系统问题的研究已越来越成为国内外学者研究的热点。 自复杂性系统的概念诞生以来，已有大批学者从不同的领域入手，并 取得了大量成果。 对于“复杂性 ”的精确概念定义尚无统一的定论， 但基 本已达成一个共识， 即把那些数据大， 呈现非线性关系， 具有自组织、 自适应和涌现特征的问题归类为复杂性问题或者称为 “复杂性系统 ”。复 杂性系统的这些特性也引起了许多跨学科学者的关注。人

6、体作为一个 整体的系统，其复杂的功能和行为大于单个细胞的集合，人体的疾病 和健康也复杂于单纯的生物学因素之和，特别是人类的疾病和健康过 程，完全符合复杂系统的基本特性。生命体的复杂多样性决定了疾病 是复杂的，不仅生命体本身病理过程复杂，心理、社会、环境等因素 都会影响病理过程，许多复杂性疾病，如心血管疾病、癌症等都是生 命体多层次、多层面因素作用的结果医学本身的复杂性。因此，已有 许多医学界的学者开始致力于复杂性理论应用于医学的研究。人们希 望寻求以定量和整合的途径来深入了解各种医学系统之间复杂的相互作用，通过对系统的建模与系统运作机理的研究，用控制科学的理论 方法对系统的演化加以干预并使得系

7、统朝着预定目标演化。运用系统 科学理论和方法综合研究和认识复杂的人体及其疾病，并把传统和现 代医学大量的基础与临床研究成果集成整合起来，建立起全新的现代 医学体系被称为复杂性系统医学 1，2。而对于医学科学领域的复杂 性研究被称为复杂性系统医学研究。1复杂性理论应用于医学研究的背景 200多年以来，还原论思想和方法学在研究现代科学上一直占据统治地 位。该思想认为 “一切系统都是可逆的。分割的各个问题的解答之和就 会成为整体的最后答案，即系统之解 ”。还原论思想对于推动医学领域 及其分支领域的研究进程和发展有着重要的指导作用。但是生命体并 不是组成成分的简单堆积，生命系统具有不可逆性，被分解之后

8、生命 本身就不可再挽回，整体并不等于局部之和，而是彼此间有着广泛的 相互作用；各个组成成分之间的相互作用也不是简单的线性关系，而 是交错编织的复杂网络。突出问题表现在忽视了对于生命系统的层面 上的整体认识以及处理人体健康和疾病的复杂问题。医学科学研究在 经历了漫长的发展过程后，随着人们对复杂性疾病的认识逐步加深， 还原论方法的局限性日益显露，现代医学面临着复杂疾病模式的严峻 挑战，整体观的重要性被科学界日益重视。在 20 世纪后期，人们开始 重视生命科学的复杂性和整体性研究，向系统论的研究方向进军，继 承还原论的精华的同时，强调系统的内部和系统之间的联系，系统的 复杂性动力学特性，以及整体功能

9、和行为的突现。系统论与医学在全 新的技术背景下的结合，在系统理论指导下，把人体作为一个完整的 系统加以研究。通过大规模提取各类生物信息，深入研究基因组、蛋 白组和代谢组等生物信息与环境信息的相互作用，阐明发病机理，研 究新的诊断和治疗技术，从而引领现代医学进入预测性、预防性和个 性化的时代。2复杂性系统理论应用于医学领域研究的理论思想 人类的生命过程处于秩序与混沌的边缘，人体作为一个具有自组织和 自适应的复杂系统，具有不确定性和混沌状态的特性，这些特性正符 合复杂系统自适应性的重要机制。近些年，医学研究人员在研究高血 压病基因、精神分裂症基因等复杂性疾病时，在对海量数据的处理时 引入了数学模型

10、、算法和计算机学习技术；对于基因组学、蛋白质组 学的研究采用大通量信息处理技术，由此引发了对于非线性动力学和 混沌机制为人体复杂系统的自适应能力提供研究。生命信息的载体都 具有一个共同的特征：简单符号的有限排列，一种不连续非周期性的 序列。这个特征符合信息具有差异性和差异无限趋向性的基本特性。 而所有的生命物质所具有的字符序列特征又使基于计算机等现代电子 设备介质，建立二进制和概率计算的数学模型，进行运算、分析和模 拟成为可能 3。生命信息的表达系统中起主导作用的是熵的逆向趋 动性，即熵减，它使生命信息系统呈现不可还原的离散状态和非线性 的不连续过程，在复杂中简化是我们的基本原则，通过建模和反

11、馈机制将会成为研究处理复杂系统较好的解决策略 43复杂性系统理论应用于医学领域研究的状况探究 尽管中西方的医学研究对象与内容基本一致， 但由于文化背景等原因， 却有不同的探索自然界的思维方式，其中对人体和病理思维的不同正 是中西医理论构建不同的根本原因。西方医学系统受还原论思想的影 响，认为整体由部分构成，可以把整体分解为部分来认识，生命的整 体性能，可以从它的组成部分的性能完全解释清楚；生命运动由较低 级的物理、化学等运动组成，可以把生命的高级运动还原为低级运动 来认识，生命和疾病的现象完全可以用物理、化学的规律来解释。重 局部，轻整体，重还原，轻整合，医学分科越来越细，偏向于针对局 部的治

12、疗，而忽视了对整体的重视。西方医学研究学家发现已有越来 越多的整合病例无法用简单的线性还原思想解决。传统的中医学理论 虽然强调整体性、非线性、动态性，但这种整体观具有知觉性、猜测 性和不确定性，宏观认识与微观结构脱节，并不是严格意义上的科学 整体观，由于尚未找到较为合适的方法论解释研究中医科学的内涵， 医学科学家利用西方还原论的思想研究中医科学，并没有取得任何突 破性进展。中西方医学研究都在试图寻找新的研究思想方法来解决还 原论无法解释的问题。近 20 年来随着复杂性系统理论的科学蓬勃发展， 为中西方医学研究学 者带来了新的启示。 20 世纪 80年代末，美国的一些科学家建立了美国 圣菲研究所

13、（SF）,重点研究简单性、复杂性、复杂系统。他们热衷于 不同学科之间的探讨与相互影响， 试图从各种不同的系统中找到共性。 通过计算机仿真与模拟，形成了各种各样的关于复杂系统的新概念和 理论模型，并建立了公用的，为复杂系统研究而设计的软件平台 SWAEM。 SFI 的科学家通过科学的方法对系统整体论作出了科学的解答和模拟， 并提供了从理论到模拟、从特性到机制的具体方法，基本思路是：首 先应用还原分析方法选择适当的主体作为构件，利用计算机程序刻画 少数支配主体相互作用的规则，建立各类计算机实验模型，并在计算 机实验平台上模拟，通过计算机仿真考察和研究模型系统的行为和演 化规律，这种演化通常可以使宏

14、观整体行为与性质由下而上、由简到 繁的自然涌现出来，研究者可以直接观察系统的生成、演化过程，从 观察现象中发现规律，提炼概念，形成洞见，建立理论，从而对宏观 现象作出恰当的诠释，发现复杂的宏观现象的内部机制。由此，很多 中西方的医学研究者得到了启示，并且开始尝试运用复杂性系统理论 应用于医学研究。人体中存在大量的智能主体，医学研究中存在大量 的数据信息，都具有非线性的特点，利用现代信息手段获得医学研究 所需要的各种数据资料，包括文本、影像等，借助计算机平台建模， 同时引入数理和信息科学领域的理论和方法等对模型进行先进高效的 信息分析和数据挖掘，对数据资料进行处理，从繁杂的实验数据中找 出各种数据之间的内在联系，以获得有力的信息或结论 5。 2003 年 9 月维也纳国际应用系统分析研究所的复杂系统建模研讨会上， 美国学 者们研发出的以