我是斜杠青年，一個熱愛前沿科學(xué)的“雜食性”學(xué)者！

大腦和環(huán)境之間的能量流動驅(qū)動著維持生命的非平衡。動蕩能幫助我們茁壯成長嗎？

根據(jù)熱力學(xué)定律，任何生物體都在不斷地與其環(huán)境交換物質(zhì)和能量的通量。因此，該系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)。在《什么是生命？》的書中（1944年），奧地利物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者埃爾溫·薛定諤提出，維持生命完全取決于避免平衡：“生物體如何避免腐爛？...通過吃、喝、呼吸和...同化。技術(shù)術(shù)語是新陳代謝。根據(jù)這種觀點，最終的平衡是死亡，因此生存取決于盡可能遠(yuǎn)離平衡。

埃爾溫·薛定諤首先是一位物理學(xué)家，主要以其在量子物理學(xué)方面的工作而聞名，在那里，許多人會知道他關(guān)于“薛定諤的貓”的思想實驗，矛盾的是，這可能被認(rèn)為是既活著的，也是死的。這是1935年與阿爾伯特·愛因斯坦就量子力學(xué)的哥本哈根解釋問題進(jìn)行的討論。

然而，在后來的生活中，薛定諤轉(zhuǎn)向了發(fā)現(xiàn)生命的基本力量和了解熱力學(xué)領(lǐng)域如何提供幫助這一重大而重要的問題。在那些日子里，對人類大腦的科學(xué)研究仍處于起步階段，因此不是薛定諤關(guān)注的一部分。但從那時起，神經(jīng)科學(xué)取得了長足進(jìn)步。很明顯，大腦必須是生物體如何避免平衡和死亡的主要驅(qū)動力。事實上，最近的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開始揭示大腦如何在不平衡下茁壯成長；以及動蕩的非線性大腦動力學(xué)如何幫助在基本上混亂的環(huán)境中找到秩序，從而增加生存的機會。

在過去的幾十年里，腦科學(xué)家一直專注于當(dāng)我們從事特定任務(wù)時，大腦似乎主要由環(huán)境的瞬時刺激驅(qū)動。然而，正如美國神經(jīng)學(xué)家Marcus Raichle的開創(chuàng)性研究表明的那樣，越來越明顯的是，大腦不僅僅是由來自環(huán)境的信息外部驅(qū)動的。相反，大腦主要由內(nèi)在的靜止?fàn)顟B(tài)活動塑造，在解釋、響應(yīng)甚至預(yù)測環(huán)境需求時，在大腦狀態(tài)之間切換。

維持內(nèi)在靜息大腦活動的代謝能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外部任務(wù)驅(qū)動的需求，例如在觀看視覺刺激或解決認(rèn)知任務(wù)時，這一事實支持了這一觀點。鑒于根據(jù)一些估計，總能量消耗的20%以上被大腦占據(jù)，大腦僅占體重的2%，Raichle詩意地談到了大腦的“暗能量”。

在這里，我們建議融合薛定諤和Raichle的想法，提出大腦和環(huán)境之間的能量流動正在推動維持生命所需的非平衡。這導(dǎo)致了一種新的心靈熱力學(xué)理論，該理論借鑒了物理學(xué)的思想，并允許研究人員以高度精確度量化和描述導(dǎo)致失平衡的大腦處理。

根據(jù)魯?shù)婪颉た藙谛匏购退_迪·卡諾在19世紀(jì)提出的熱力學(xué)第二定律，隨著時間的推移，系統(tǒng)往往會從秩序走向混亂。在熱力學(xué)語言中，這種紊亂程度的增加可以表示為“熵”。因此，該定律規(guī)定，當(dāng)熵產(chǎn)生大于零時，這對應(yīng)于一個處于非平衡和時間上不可逆的系統(tǒng)。所有生物系統(tǒng)都是如此。相比之下，如果系統(tǒng)中沒有熵產(chǎn)生，這是一個平衡且時間可逆的系統(tǒng)。這在熵生產(chǎn)、非平衡和不可逆轉(zhuǎn)性之間建立了牢固的聯(lián)系，英國物理學(xué)家亞瑟·愛丁頓在1927年將其描述為“時間之箭”。

當(dāng)觀看玻璃被粉碎的鏡頭時，出現(xiàn)了具有相關(guān)熵和時間箭頭的非平衡系統(tǒng)的絕佳例子。隨著系統(tǒng)從順序到無序，熵會增加，事件的因果序列，以及時間的箭頭，非常清晰。相比之下，當(dāng)反向觀看相同的電影序列時，我們立即意識到玻璃不可能從混亂到有序地重新組合在一起。事件的不可能性非常清楚，時間的箭頭必須逆轉(zhuǎn)。

有趣的是，導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭在他最近的電影《特尼特》（2020）中結(jié)合了這些視覺片段，這些視覺片段在時間上向前和向后運行。這最初造成了混亂，但我們很快就學(xué)會了辨別不同的視覺元素——例如高速公路上的汽車奇怪地從破壞中翻轉(zhuǎn)回來——并立即識別這種違反預(yù)期前進(jìn)時間箭頭的行為。

在任何明顯的癥狀開始之前，可以對患病大腦平衡的變化進(jìn)行表征

熱力學(xué)的美妙之處在于，時間之箭可以用熵產(chǎn)生進(jìn)行優(yōu)雅的數(shù)學(xué)描述，當(dāng)系統(tǒng)從一個順序到無序時，例如當(dāng)玻璃破碎時，熵產(chǎn)生會增加?？傡禺a(chǎn)生可以計算出來，如果大于零，則稱系統(tǒng)是不可逆且不平衡的。換句話說，玻璃被粉碎是非平衡和不可逆系統(tǒng)的明顯例子（特尼特的虛構(gòu)現(xiàn)實世界物理挑戰(zhàn)世界除外）。

相比之下，作為一個處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)的例子，想象一下觀看撞擊臺球的鏡頭。在向前和向后觀看這部電影時，你很難區(qū)分每部電影的時間箭頭。從熱力學(xué)的角度來看，這是因為該過程沒有產(chǎn)生熵，并創(chuàng)造了一個本質(zhì)上可逆的過程。

這些熱力學(xué)概念是強大的工具，原則上可以應(yīng)用于任何東西。因此，有研究人員已經(jīng)開始將它們應(yīng)用于大腦信號。這使我們能夠通過簡單地測量大腦信號的不可逆性水平來衡量環(huán)境是如何驅(qū)動大腦的。在正在進(jìn)行的研究中，科學(xué)家正在研究這些工具如何捕捉大腦中的時間箭頭和熵產(chǎn)生，從而能夠精確評估外部世界和我們的身體如何在不同情況下將大腦推向失衡。有可能，這甚至可以在任何明顯的癥狀開始出現(xiàn)之前用于描述患病大腦平衡的變化。

最近，有科學(xué)團隊將熱力學(xué)與一種名為深度學(xué)習(xí)的機器學(xué)習(xí)技術(shù)的力量相結(jié)合，以表征大腦信號中的時間箭頭。深度學(xué)習(xí)方法在創(chuàng)建有用的工具方面非常成功，例如從一種語言到另一種語言的自動機器翻譯。關(guān)鍵思想是深度學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)大型數(shù)據(jù)集中的模式，然后將這種學(xué)習(xí)推廣到新案例中。例如，以語言學(xué)習(xí)為例，深度學(xué)習(xí)將用兩種或兩種以上語言的文本提供，然后學(xué)習(xí)在特定上下文中出現(xiàn)單詞時進(jìn)行概括。這允許該算法生成比以前技術(shù)好得多的機器翻譯，例如在使用谷歌翻譯時可以看到。

研究團隊使用深度學(xué)習(xí)作為學(xué)習(xí)工具，以區(qū)分大腦信號的正向和向后版本。最初，在學(xué)習(xí)階段，每個大腦信號都標(biāo)有正向或人工生成的向后版本，深度學(xué)習(xí)算法學(xué)會了高精度地區(qū)分它們。在測試階段，新的大腦信號被輸入到這種深度學(xué)習(xí)算法，并根據(jù)規(guī)則進(jìn)行分類。

為了向諾蘭致敬，科研團隊稱這種算法為TENET（時間進(jìn)化NET）。該算法的美妙之處在于，在腦信號上使用TENET的準(zhǔn)確性直接提供了給定大腦狀態(tài)的不可逆性和非平衡水平。通過這種方式，我們可以評估環(huán)境在不同條件下驅(qū)動人類大腦的程度，無論是休息還是執(zhí)行任務(wù)。

我們可能會降低大腦更接近平衡的風(fēng)險，從而降低參與世界的能力

研究團隊的結(jié)果證實，總的來說，大腦是由環(huán)境驅(qū)動的，重要的是，人類大腦更接近非平衡，在執(zhí)行不同的任務(wù)時比休息時更不可逆轉(zhuǎn)。相比之下，當(dāng)使用TENET來表征患有雙相情感障礙、多動癥和精神分裂癥的神經(jīng)精神病患者的靜止?fàn)顟B(tài)大腦活動時，研究發(fā)現(xiàn)這些患者的大腦比健康參與者的大腦更接近平衡。這表明神經(jīng)精神病患者的大腦更與環(huán)境隔離，更有可能被內(nèi)在驅(qū)動。例如，這與抑郁癥患者的反思如何導(dǎo)致與外部世界的惡性隔離，從而導(dǎo)致抑郁癥。

總體而言，使用熱力學(xué)方法來描述大腦活動可能非常有用，可以提供新的生物標(biāo)志物，這些生物標(biāo)志物可以幫助在出現(xiàn)第一批嚴(yán)重癥狀之前識別那些有疾病風(fēng)險的人。事實上，進(jìn)一步建立疾病中大腦活動的全腦模型可能有助于確定干預(yù)措施策略，這些策略可以降低大腦更接近平衡的風(fēng)險，從而降低參與世界的能力。

這些發(fā)現(xiàn)很有希望，但仍有挑戰(zhàn)需要克服。對深度學(xué)習(xí)的主要批評之一集中在進(jìn)步的“黑匣子”本質(zhì)上，這可能對解決復(fù)雜問題具有相當(dāng)大的實際效用，但幾乎沒有對如何機械地實現(xiàn)這一目標(biāo)產(chǎn)生新的見解。這種黑匣子批評不適用于研究團隊使用深度學(xué)習(xí)來學(xué)習(xí)大腦信號中的時間箭頭，因為研究團隊僅將其用作發(fā)現(xiàn)大腦信號可逆性水平的高效工具。事實上，此后，他們使用了其他無關(guān)的技術(shù)來估計大腦信號的熵產(chǎn)生和可逆性，這有助于我們更深入地了解心靈的熱力學(xué)。

為了補充這些熱力學(xué)發(fā)現(xiàn)，為了真正理解非平衡大腦狀態(tài)的非線性生成，他們還使用了湍流原理。這項研究使研究能夠超越僅僅在非平衡系統(tǒng)中建立時間箭頭。

湍流是大多數(shù)人主要與水漩渦或飛機上經(jīng)?？膳碌慕?jīng)歷聯(lián)系在一起的東西。但湍流首先是本質(zhì)上一個基本且非常有用的原則，它提供了最佳的混合特性，允許在空間和時間上高效傳輸能量/信息。事實上，上個世紀(jì)的研究表明，湍流是在許多尺度上跨時空級聯(lián)能量的最佳方式，這是物理系統(tǒng)的基本組織原則。在非常實用的層面上，這已被證明具有許多重要和相關(guān)的應(yīng)用：從烹飪時的湍流攪拌，這有助于混合成分，到找到更節(jié)能的方法來改進(jìn)化工廠、飛機和風(fēng)車。

從歷史上看，動蕩是由萊昂納多·達(dá)芬奇在1508-14年創(chuàng)造的，他在試圖捕捉表面隨機的水運動中創(chuàng)造漩渦的潛在順序時，面臨著最困難的挑戰(zhàn)之一。然而，他并不回避試圖理解和描述這種擁擠的動態(tài)的基本生成原則。他在白話意大利語中提出了turbolenza一詞，源自turba，這是拉丁語“人群”一詞。這種對不同尺度漩渦的表征明顯早于英國博學(xué)家劉易斯·弗萊·理查森（1881-1953）的開創(chuàng)性觀測，劉易斯·弗萊·理查森（1881-1953）是數(shù)學(xué)天氣預(yù)報的先驅(qū)，他描述了重要的湍流能量級聯(lián)原理。

Richardson根據(jù)達(dá)芬奇的觀察，流體中存在不同大小的漩渦或渦，其中每個渦都對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)運動。大渦和小渦之間的相互作用以速度或動能的形式交換能量；這被稱為能量級聯(lián)，它跨尺度傳輸能量，大致對應(yīng)于不同渦流的大小。Richardson在一首幽默的詩中描述了這種能量級聯(lián)：“大漩渦以速度為食的小漩渦，小漩渦的漩渦較少，以粘度為食......”這是一部關(guān)于跳蚤分類順序Siphonaptera的戲劇，這是英國數(shù)學(xué)家奧古斯都·德·摩根的一首簡短詩中使用的：“大跳蚤背上有小跳蚤來咬它們，小跳蚤較小跳蚤，因此是無限的”——這本身就轉(zhuǎn)述了Jonathan Swift的一首詩中的一句臺詞。

大腦在尋求遠(yuǎn)離平衡以求生存時使用湍流

這些詩意的觀察是由俄羅斯數(shù)學(xué)家安德烈·科爾莫戈羅夫（1903-87）在他的開創(chuàng)性的動蕩現(xiàn)象學(xué)理論中正式確定的。這一極具影響力的理論展示了一個基本的功率縮放定律，揭示了流體動力學(xué)的關(guān)鍵潛在機制，即平衡動力學(xué)和粘性耗散的能量級聯(lián)。空間功率縮放定律是湍流的標(biāo)志，為理查森早期級聯(lián)渦流概念提供了數(shù)學(xué)描述。這與達(dá)芬奇的觀察密切相關(guān)，即向漩渦中心的周收縮比水沖動的減少更快，這就是為什么水在中心附近旋轉(zhuǎn)得更快。

心靈的熱力學(xué)決定了大腦必須通過盡可能遠(yuǎn)離平衡來確保我們的生存。不幸的是，大腦相當(dāng)緩慢，信號在神經(jīng)元之間傳播時需要數(shù)十毫秒，這不會留下太多時間對環(huán)境中的危險事物做出反應(yīng)。因此，多年來，大腦仍然能夠如此快速地處理這么多信息，這一直是一個難題。湍流是這個深刻問題的關(guān)鍵答案，因為它是自然界各級能源/信息交流的指導(dǎo)原則。

最近，有研究證明，動蕩的信息級聯(lián)使整個大腦所需的快速信息共享成為可能。此外，研究團隊能夠證明，在復(fù)雜環(huán)境中生存所需的編排是通過使用罕見的遠(yuǎn)程解剖連接進(jìn)行湍流信息級聯(lián)實現(xiàn)的。這為區(qū)域的小型全球工作空間提供了必要的信息傳輸速度，以充當(dāng)意識編排的導(dǎo)體。

總體而言，薛定諤關(guān)于是什么讓我們生存的問題同樣可以從大腦如何允許內(nèi)在和外在信息之間進(jìn)行最佳程度的混合方面提出。事實證明，湍流是自然界以最有效的方式在時間和空間之間混合和傳輸能量/信息的最佳方法。這里呈現(xiàn)的新結(jié)果表明，大腦顯然使用湍流來尋求遠(yuǎn)離平衡以生存。

因此，湍流和熱力學(xué)失衡是大腦如何驅(qū)動和駕馭環(huán)境的同一枚硬幣的兩面。這些原則不僅讓我們生存下來，而且不時地茁壯成長。因此，科學(xué)家目前的主要目標(biāo)之一是利用這個框架來發(fā)現(xiàn)潛在的大腦機制，方法是研究冥想、音樂和迷幻藥等大腦狀態(tài)，這些狀態(tài)已知會喚起幸福感狀態(tài)并蓬勃發(fā)展。

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