动荡的大脑

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大脑和环境之间的能量流动驱动着维持生命的非平衡。动荡能帮助我们茁壮成长吗？

莱昂纳多·达芬奇的水研究。来源：科学共享图库

根据热力学定律，任何生物体都在不断地与其环境交换物质和能量的通量。因此，该系统处于非平衡状态。在《什么是生命？》的书中（1944年），奥地利物理学家、诺贝尔奖获得者埃尔温·薛定谔提出，维持生命完全取决于避免平衡：“生物体如何避免腐烂？...通过吃、喝、呼吸和...同化。技术术语是新陈代谢。根据这种观点，最终的平衡是死亡，因此生存取决于尽可能远离平衡。

埃尔温·薛定谔首先是一位物理学家，主要以其在量子物理学方面的工作而闻名，在那里，许多人会知道他关于“薛定谔的猫”的思想实验，矛盾的是，这可能被认为是既活着的，也是死的。这是1935年与阿尔伯特·爱因斯坦就量子力学的哥本哈根解释问题进行的讨论。

然而，在后来的生活中，薛定谔转向了发现生命的基本力量和了解热力学领域如何提供帮助这一重大而重要的问题。在那些日子里，对人类大脑的科学研究仍处于起步阶段，因此不是薛定谔关注的一部分。但从那时起，神经科学取得了长足进步。很明显，大脑必须是生物体如何避免平衡和死亡的主要驱动力。事实上，最近的发现已经开始揭示大脑如何在不平衡下茁壮成长；以及动荡的非线性大脑动力学如何帮助在基本上混乱的环境中找到秩序，从而增加生存的机会。

在过去的几十年里，脑科学家一直专注于当我们从事特定任务时，大脑似乎主要由环境的瞬时刺激驱动。然而，正如美国神经学家Marcus Raichle的开创性研究表明的那样，越来越明显的是，大脑不仅仅是由来自环境的信息外部驱动的。相反，大脑主要由内在的静止状态活动塑造，在解释、响应甚至预测环境需求时，在大脑状态之间切换。

维持内在静息大脑活动的代谢能耗远远大于外部任务驱动的需求，例如在观看视觉刺激或解决认知任务时，这一事实支持了这一观点。鉴于根据一些估计，总能量消耗的20%以上被大脑占据，大脑仅占体重的2%，Raichle诗意地谈到了大脑的“暗能量”。

在这里，我们建议融合薛定谔和Raichle的想法，提出大脑和环境之间的能量流动正在推动维持生命所需的非平衡。这导致了一种新的心灵热力学理论，该理论借鉴了物理学的思想，并允许研究人员以高度精确度量化和描述导致失平衡的大脑处理。

根据鲁道夫·克劳修斯和萨迪·卡诺在19世纪提出的热力学第二定律，随着时间的推移，系统往往会从秩序走向混乱。在热力学语言中，这种紊乱程度的增加可以表示为“熵”。因此，该定律规定，当熵产生大于零时，这对应于一个处于非平衡和时间上不可逆的系统。所有生物系统都是如此。相比之下，如果系统中没有熵产生，这是一个平衡且时间可逆的系统。这在熵生产、非平衡和不可逆转性之间建立了牢固的联系，英国物理学家亚瑟·爱丁顿在1927年将其描述为“时间之箭”。

当观看玻璃被粉碎的镜头时，出现了具有相关熵和时间箭头的非平衡系统的绝佳例子。随着系统从顺序到无序，熵会增加，事件的因果序列，以及时间的箭头，非常清晰。相比之下，当反向观看相同的电影序列时，我们立即意识到玻璃不可能从混乱到有序地重新组合在一起。事件的不可能性非常清楚，时间的箭头必须逆转。

有趣的是，导演克里斯托弗·诺兰在他最近的电影《特尼特》（2020）中结合了这些视觉片段，这些视觉片段在时间上向前和向后运行。这最初造成了混乱，但我们很快就学会了辨别不同的视觉元素——例如高速公路上的汽车奇怪地从破坏中翻转回来——并立即识别这种违反预期前进时间箭头的行为。

在任何明显的症状开始之前，可以对患病大脑平衡的变化进行表征

热力学的美妙之处在于，时间之箭可以用熵产生进行优雅的数学描述，当系统从一个顺序到无序时，例如当玻璃破碎时，熵产生会增加。总熵产生可以计算出来，如果大于零，则称系统是不可逆且不平衡的。换句话说，玻璃被粉碎是非平衡和不可逆系统的明显例子（特尼特的虚构现实世界物理挑战世界除外）。

相比之下，作为一个处于平衡状态的系统的例子，想象一下观看撞击台球的镜头。在向前和向后观看这部电影时，你很难区分每部电影的时间箭头。从热力学的角度来看，这是因为该过程没有产生熵，并创造了一个本质上可逆的过程。

这些热力学概念是强大的工具，原则上可以应用于任何东西。因此，有研究人员已经开始将它们应用于大脑信号。这使我们能够通过简单地测量大脑信号的不可逆性水平来衡量环境是如何驱动大脑的。在正在进行的研究中，科学家正在研究这些工具如何捕捉大脑中的时间箭头和熵产生，从而能够精确评估外部世界和我们的身体如何在不同情况下将大脑推向失衡。有可能，这甚至可以在任何明显的症状开始出现之前用于描述患病大脑平衡的变化。

最近，有科学团队将热力学与一种名为深度学习的机器学习技术的力量相结合，以表征大脑信号中的时间箭头。深度学习方法在创建有用的工具方面非常成功，例如从一种语言到另一种语言的自动机器翻译。关键思想是深度学习算法学习大型数据集中的模式，然后将这种学习推广到新案例中。例如，以语言学习为例，深度学习将用两种或两种以上语言的文本提供，然后学习在特定上下文中出现单词时进行概括。这允许该算法生成比以前技术好得多的机器翻译，例如在使用谷歌翻译时可以看到。

研究团队使用深度学习作为学习工具，以区分大脑信号的正向和向后版本。最初，在学习阶段，每个大脑信号都标有正向或人工生成的向后版本，深度学习算法学会了高精度地区分它们。在测试阶段，新的大脑信号被输入到这种深度学习算法，并根据规则进行分类。

为了向诺兰致敬，科研团队称这种算法为TENET（时间进化NET）。该算法的美妙之处在于，在脑信号上使用TENET的准确性直接提供了给定大脑状态的不可逆性和非平衡水平。通过这种方式，我们可以评估环境在不同条件下驱动人类大脑的程度，无论是休息还是执行任务。

我们可能会降低大脑更接近平衡的风险，从而降低参与世界的能力

研究团队的结果证实，总的来说，大脑是由环境驱动的，重要的是，人类大脑更接近非平衡，在执行不同的任务时比休息时更不可逆转。相比之下，当使用TENET来表征患有双相情感障碍、多动症和精神分裂症的神经精神病患者的静止状态大脑活动时，研究发现这些患者的大脑比健康参与者的大脑更接近平衡。这表明神经精神病患者的大脑更与环境隔离，更有可能被内在驱动。例如，这与抑郁症患者的反思如何导致与外部世界的恶性隔离，从而导致抑郁症。

总体而言，使用热力学方法来描述大脑活动可能非常有用，可以提供新的生物标志物，这些生物标志物可以帮助在出现第一批严重症状之前识别那些有疾病风险的人。事实上，进一步建立疾病中大脑活动的全脑模型可能有助于确定干预措施策略，这些策略可以降低大脑更接近平衡的风险，从而降低参与世界的能力。

这些发现很有希望，但仍有挑战需要克服。对深度学习的主要批评之一集中在进步的“黑匣子”本质上，这可能对解决复杂问题具有相当大的实际效用，但几乎没有对如何机械地实现这一目标产生新的见解。这种黑匣子批评不适用于研究团队使用深度学习来学习大脑信号中的时间箭头，因为研究团队仅将其用作发现大脑信号可逆性水平的高效工具。事实上，此后，他们使用了其他无关的技术来估计大脑信号的熵产生和可逆性，这有助于我们更深入地了解心灵的热力学。

为了补充这些热力学发现，为了真正理解非平衡大脑状态的非线性生成，他们还使用了湍流原理。这项研究使研究能够超越仅仅在非平衡系统中建立时间箭头。

湍流是大多数人主要与水漩涡或飞机上经常可怕的经历联系在一起的东西。但湍流首先是本质上一个基本且非常有用的原则，它提供了最佳的混合特性，允许在空间和时间上高效传输能量/信息。事实上，上个世纪的研究表明，湍流是在许多尺度上跨时空级联能量的最佳方式，这是物理系统的基本组织原则。在非常实用的层面上，这已被证明具有许多重要和相关的应用：从烹饪时的湍流搅拌，这有助于混合成分，到找到更节能的方法来改进化工厂、飞机和风车。

从历史上看，动荡是由莱昂纳多·达芬奇在1508-14年创造的，他在试图捕捉表面随机的水运动中创造漩涡的潜在顺序时，面临着最困难的挑战之一。然而，他并不回避试图理解和描述这种拥挤的动态的基本生成原则。他在白话意大利语中提出了turbolenza一词，源自turba，这是拉丁语“人群”一词。这种对不同尺度漩涡的表征明显早于英国博学家刘易斯·弗莱·理查森（1881-1953）的开创性观测，刘易斯·弗莱·理查森（1881-1953）是数学天气预报的先驱，他描述了重要的湍流能量级联原理。

来源：科学共享图库

洪水（c1517-18），作者：莱昂纳多·达芬奇。在他生命的最后几年里，莱昂纳多在他的绘画和作品中反复处理了一场灾难性风暴压倒风景的主题。

Richardson根据达芬奇的观察，流体中存在不同大小的漩涡或涡，其中每个涡都对应于旋转运动。大涡和小涡之间的相互作用以速度或动能的形式交换能量；这被称为能量级联，它跨尺度传输能量，大致对应于不同涡流的大小。Richardson在一首幽默的诗中描述了这种能量级联：“大漩涡以速度为食的小漩涡，小漩涡的漩涡较少，以粘度为食......”这是一部关于跳蚤分类顺序Siphonaptera的戏剧，这是英国数学家奥古斯都·德·摩根的一首简短诗中使用的：“大跳蚤背上有小跳蚤来咬它们，小跳蚤较小跳蚤，因此是无限的”——这本身就转述了Jonathan Swift的一首诗中的一句台词。

大脑在寻求远离平衡以求生存时使用湍流

这些诗意的观察是由俄罗斯数学家安德烈·科尔莫戈罗夫（1903-87）在他的开创性的动荡现象学理论中正式确定的。这一极具影响力的理论展示了一个基本的功率缩放定律，揭示了流体动力学的关键潜在机制，即平衡动力学和粘性耗散的能量级联。空间功率缩放定律是湍流的标志，为理查森早期级联涡流概念提供了数学描述。这与达芬奇的观察密切相关，即向漩涡中心的周收缩比水冲动的减少更快，这就是为什么水在中心附近旋转得更快。

心灵的热力学决定了大脑必须通过尽可能远离平衡来确保我们的生存。不幸的是，大脑相当缓慢，信号在神经元之间传播时需要数十毫秒，这不会留下太多时间对环境中的危险事物做出反应。因此，多年来，大脑仍然能够如此快速地处理这么多信息，这一直是一个难题。湍流是这个深刻问题的关键答案，因为它是自然界各级能源/信息交流的指导原则。

最近，有研究证明，动荡的信息级联使整个大脑所需的快速信息共享成为可能。此外，研究团队能够证明，在复杂环境中生存所需的编排是通过使用罕见的远程解剖连接进行湍流信息级联实现的。这为区域的小型全球工作空间提供了必要的信息传输速度，以充当意识编排的导体。

总体而言，薛定谔关于是什么让我们生存的问题同样可以从大脑如何允许内在和外在信息之间进行最佳程度的混合方面提出。事实证明，湍流是自然界以最有效的方式在时间和空间之间混合和传输能量/信息的最佳方法。这里呈现的新结果表明，大脑显然使用湍流来寻求远离平衡以生存。

因此，湍流和热力学失衡是大脑如何驱动和驾驭环境的同一枚硬币的两面。这些原则不仅让我们生存下来，而且不时地茁壮成长。因此，科学家目前的主要目标之一是利用这个框架来发现潜在的大脑机制，方法是研究冥想、音乐和迷幻药等大脑状态，这些状态已知会唤起幸福感状态并蓬勃发展。

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