热力学第二定律如何帮助大脑研究

阿尔伯特·爱因斯坦在他1949年的自传笔记中解释了以下内容：“一个理论越是其前提越简单，它所涉及的事物越多，其适用范围就越广，就越令人印象深刻。因此，经典热力学给人留下的深刻印象在我身上。它是唯一的普遍内容的物理理论，我相信它永远不会被推翻，在其基本概念的适用性框架内。

热力学原理适用于任何系统。从对引擎、化学反应、宇宙膨胀或黑洞的理解，到对大脑状态的研究

UPF大脑与认知中心(CBC)计算神经科学小组的研究人员与阿根廷、澳大利亚、中国、欧洲和英国的大学合作，最近发表了一项研究，其中他们展示了热力学第二定律是如何产生的帮助他们理解并生成强大的生物标志物来区分大脑状态。

“多年来，我们小组一直在研究大脑在不同状态下的动态变化，例如，在睡眠和清醒之间以及活跃的认知活动之间，或者在昏迷期间，或者在患有神经系统疾病的患者中，”GustavoDeco解释说，集团董事和ICREA研究员。“潜在的想法是，大脑像管弦乐队一样工作，有指挥和部门领导(小提琴、管乐、弦乐等)，根据我们的地位，这些层次结构会发生变化和转变，这就是我们设法区分事物的时候.一个等级制度是有一个或多个区域接棒，领导其他区域。

这种变化可以通过测量它们在功能上如何与每个大脑状态相关联来量化。在发表在《通讯生物学》杂志上的研究中，研究人员量化了这种层次结构，但不仅是通过使用一种称为fMRI(功能磁共振成像)的技术来测量大脑各个部分之间的相互作用，这种技术可以看到大脑活动，而且还通过使用基于热力学第二定律的技巧，即随着时间的推移，系统倾向于从有序行为转变为更随机的行为。

这种无序程度的增加被称为“熵”。随着时间的推移，如果熵增加，则意味着系统不处于平衡状态，并且在时间上是不可逆的，也就是说，我们无法知道它在什么时候。相反，如果熵不增长或不发生，那么它是一个处于平衡状态的系统，因此是时间可逆的。

系统不可逆的熵增加的一个例子是关于玻璃破碎的视频，如果我们向后或向前看电影，我们可以很容易地知道我们什么时候发现自己(例如，在玻璃破碎之前或之后)。

相比之下，熵不增加(即可逆)的系统将是一个关于台球游戏的视频，即两个球碰撞并相互反弹的那一刻。由于向前或向后播放视频提供了相同的图像，我们无法区分我们在哪一点。

“通过量化大脑不同部分之间的关​​系，对称性被打破，”德科解释说。“如果我来回移动这一系列信号，并像我对电影所做的那样比较它们，我将能够知道它是哪个系统：可逆的不是分层的。不可逆的是'分层的'系统。”

通过应用这种逻辑，研究人员发现该技术是大脑意识的良好生物标志物。在人类实验中，功能磁共振成像数据显示，静息状态和清醒状态以及我们执行认知任务的时间之间存在差异。“我们看到，随着我们执行更多的认知任务，我们具有更多的不可逆性，即系统更具层次性，相反，在没有意识的情况下，不可逆性降低，即系统的层次性更少”德科继续说道。“这是一个非常好的生物标志物，因为它非常敏感，它告诉我们背后有一个机制，这非常有助于对不同的大脑状态进行分类，尤其是那些没有明确共识的大脑状态，像昏迷一样。”

这是一个非常实用的话题，因为状态分类有助于定义患者的治疗和期望。第一步是拥有一个良好的生物标志物来表征任何类型的神经精神疾病、脑血管意外、心脏病发作甚至抑郁症。“然后必须对其进行建模，并且必须使用计算机模型来测试所有可能的扰动，并且对于每个人来说也是个性化的，以确定治疗每个患者的最佳行动计划。这种类型的方法是巨大的转化兴趣，也就是说，将这项基础研究的结果应用于行业，”他总结道。

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