Meta Science: Konstruktiv støj

Af Robin Engelhardt 10. aug 2012 kl. 00.45

I 1981 opdagede nogle klimaforskere en besynderlig ting. Når de satte lidt tilfældig støj til deres modeller, kunne de fremhæve et svagt signal i stedet for at sløre det. Det var en ny og hidtil ukendt effekt, og de brugte den til at forklare, hvordan små udsving i Solens strålingsintensitet for hver 100.000 år kunne udløse så voldsomme ting som istiderne på Jorden.

Fænomenet kaldes stokastisk resonans. Det er relativt ukendt, men meget interessant, fordi det strider mod vores normale intuition og udfordrer vores måde at tænke årsagssammenhænge på. Egentlig burde det hedde 'støj-induceret overvindelse af en barriere' eller noget i den stil, for det er, hvad der sker: et systems informationsmængde øges med en masse tilfældige datapunkter, hvorved måleapparatets detekteringsgrænse overvindes, og pludselig kan man se et mønster, som man ikke kunne se før. Ligesom faldende snefnug på en vintermark langsomt aftegner konturerne i landskabet, kan hvid støj altså gøre det usynlige synligt, og det meningsløse meningsgivende.

Siden har man opdaget, at teknikken også kan bruges af dyr. Den røde amerikanske flodkrebs Procambarus clarkii har føletråde på halen, som den bruger til at sanse vandets trykbølger med. Hvis man stimulerer trådene med en svag trykbølge ved en bestemt bølgelængde, er neuronernes respons mindre, end hvis man tilføjer en vis mængde hvid støj til signalet. Eksperimentet viser ikke nødvendigvis, at naturlig støj bruges af krebsen til at opspore svage signaler i sine omgivelser. Det viser kun, at krebsens føletråde er i stand til forbedre signalet, når der er støj. Det kan altså være, at den slet ikke bruger muligheden, eller at den kun bruger muligheden, når den skal justere (tune) sine sanser, lidt ligesom når vi banker på barometret, inden vi aflæser det.

Også mennesket evner at forstærke et signal via støj. Fysiologer og robotforskere har fundet ud af, at mennesker har en større sensitivitet i visse proprioceptive neuroner, når de stimuleres af mekaniske vibrationer (proprioceptive neuroner er den del af nervesystemet, der modtager data fra legemets egne organer). Opdagelsen bliver i disse år brugt til at udvikle elektrisk forstærkede handsker og proteser til handicappede, hvilket potentielt kan forbedre de handicappedes evne at kunne føle kropsdelenes placering i rummet og øge oplevelsen af varme, kulde, smerte og trykpåvirkninger.

Det er tænkeligt, at også menneskets hjerne benytter sig af fænomenet. For eksempel ved man, at en øget opmærksomhed og zen-lignende bevidsthedstilstande forstærker hjernens gammabølger, hvilket øger neuronernes synkronisering i hjernen. Også når man er meget koncentreret eller midt i en vanskelig læringsproces, øges synkroniseringen af de forskellige hjerneområders aktivitet. Muligvis skyldes det en støjinduceret effekt, altså stokastisk resonans, for at man bedre kan integrere og forstærke diverse kvaliteter af en stimulus. Og måske, mener nogle forskere, er gammabølger hele grunden til, at vi har en samlet bevidsthed - en følelse af et 'jeg'.

Støj på linjen kan altså ikke bare forstærke et signal. Den kan få komplekse systemer til at gå over i et helt andet domæne af faserummet og frembringe helt nye kvaliteter, som ikke var til stede i første omgang. Selvfølgelig er det vigtigt med den rette dosis.