生命是處于非平衡態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)，不斷地與環(huán)境交換物質(zhì)和能量。大腦也是如此，無(wú)論是休息還是工作，大腦和環(huán)境之間的能量流動(dòng)都驅(qū)動(dòng)著大腦遠(yuǎn)離平衡態(tài)，快速傳遞信息，產(chǎn)生協(xié)調(diào)的意識(shí)活動(dòng)。那么，大腦動(dòng)力學(xué)如何幫助在充滿無(wú)序的環(huán)境中建立秩序？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大腦利用的是湍流原理。

撰文?|?Morten L Kringelbach，Gustavo Deco

翻譯?|?潘佳棟

審校?|?梁金

1.?處于非平衡態(tài)的大腦

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根據(jù)熱力學(xué)，任何生物體都在不斷地與環(huán)境交換物質(zhì)和能量，因此，該系統(tǒng)處于非平衡態(tài)。在《生命是什么？》（What Is Life?, 1944）一書中，奧地利物理學(xué)家和諾貝爾獎(jiǎng)獲得者埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）提出，維持生命的前提正是要避免平衡態(tài)："生物體如何避免衰亡？通過(guò)吃、喝、呼吸和......吸收，技術(shù)術(shù)語(yǔ)是新陳代謝。”根據(jù)這一觀點(diǎn)，最終的平衡態(tài)是死亡，因此，生存有賴于盡可能地遠(yuǎn)離平衡態(tài)。?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。在量子物理學(xué)領(lǐng)域，很多人都會(huì)知道他關(guān)于“薛定諤的貓”的思想實(shí)驗(yàn)，矛盾的是，這只貓可能同時(shí)被認(rèn)為是活的和死的。這源于1935年與阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）關(guān)于量子力學(xué)哥本哈根詮釋的討論。?然而，到了晚年，薛定諤轉(zhuǎn)向了另一個(gè)重要問(wèn)題：發(fā)現(xiàn)生命的基本力和理解熱力學(xué)如何提供幫助。在那時(shí)，對(duì)人腦的科學(xué)研究還處于起步階段，因此不是薛定諤關(guān)注的一部分。但自此之后，神經(jīng)科學(xué)取得了巨大的進(jìn)步。人們已經(jīng)非常清楚，大腦必然是生物體避免平衡和死亡的主要驅(qū)動(dòng)力。事實(shí)上，最近的發(fā)現(xiàn)[1]開(kāi)始為大腦如何在非平衡態(tài)下茁壯成長(zhǎng)提供新的線索；同時(shí)揭示動(dòng)蕩的、非線性的大腦動(dòng)力學(xué)如何幫助在很大程度上無(wú)序的環(huán)境中找到秩序，從而提高生存機(jī)會(huì)[2]?。?

圖1. 大腦會(huì)復(fù)雜多變的環(huán)境之間不斷發(fā)生能量流動(dòng)，驅(qū)動(dòng)大腦遠(yuǎn)離平衡態(tài)。

?在過(guò)去幾十年里，腦科學(xué)家們一直致力于研究當(dāng)我們從事特定任務(wù)時(shí)，大腦似乎主要由環(huán)境的瞬間刺激驅(qū)動(dòng)。然而，正如美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家 Marcus Raichle 的開(kāi)創(chuàng)性研究所表明的那樣，越來(lái)越清楚的是，大腦并不僅僅由來(lái)自環(huán)境的信息驅(qū)動(dòng)。相反，大腦主要由內(nèi)在的靜息狀態(tài)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)，在解釋、響應(yīng)甚至預(yù)測(cè)環(huán)境需求時(shí)在不同大腦狀態(tài)之間切換。?這一觀點(diǎn)得到了以下事實(shí)的支持：維持大腦內(nèi)在靜息活動(dòng)的代謝能量消耗遠(yuǎn)大于外在任務(wù)驅(qū)動(dòng)需求（例如在觀看視覺(jué)刺激或解決認(rèn)知任務(wù)時(shí)）所使用的能量消耗。根據(jù)一些估計(jì)，超過(guò)20%的總能量消耗是由大腦承擔(dān)的，而大腦只占體重的2%，因此 Raichle 詩(shī)意地談到了大腦的“暗能量”[3]。?在這里，我們建議融合薛定諤和 Raichle 的觀點(diǎn)，提出這樣一個(gè)想法：大腦和環(huán)境之間的能量流動(dòng)驅(qū)動(dòng)著維持生命所需的非平衡態(tài)。這就引出了一種新的心智熱力學(xué)（thermodynamics of mind）理論，這一理論借鑒了物理學(xué)的思想，使研究人員能夠非常精確地量化和描述導(dǎo)致非平衡態(tài)的大腦處理過(guò)程。?

2.?熱力學(xué)與時(shí)間之箭

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根據(jù)克勞修斯（Rudolf Clausius）和卡諾（Sadi Carnot）在19世紀(jì)提出的熱力學(xué)第二定律，隨著時(shí)間的推移，一個(gè)系統(tǒng)往往會(huì)從有序走向無(wú)序。用熱力學(xué)的語(yǔ)言，無(wú)序程度的增加可以表示為“熵”。因此，該定律指出，當(dāng)熵增大于零時(shí)，這對(duì)應(yīng)于一個(gè)非平衡且時(shí)間不可逆的系統(tǒng)。所有生命系統(tǒng)都是如此。相反，如果系統(tǒng)中沒(méi)有熵增，這是一個(gè)平衡系統(tǒng)，在時(shí)間上是可逆的。這在熵增、非平衡和不可逆性之間建立了牢固的聯(lián)系，英國(guó)物理學(xué)家愛(ài)丁頓（Arthur Eddington）在1927年將其描述為“時(shí)間之箭”。?玻璃破碎時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與熵和“時(shí)間之箭”有關(guān)的非平衡系統(tǒng)的極好例子。熵隨著系統(tǒng)從有序到無(wú)序而增加，事件的因果順序，以及“時(shí)間之箭”非常清晰。相反，當(dāng)我們以倒著觀看同一部電影時(shí)，會(huì)立即意識(shí)到，玻璃不可能從無(wú)序狀態(tài)恢復(fù)到有序狀態(tài)。這些事件的不可能性非常明顯，并且“時(shí)間之箭”必須逆轉(zhuǎn)。?

圖2. 玻璃破碎的過(guò)程是不可逆的，展示了“時(shí)間之箭”的存在。| 來(lái)源：Quanta Magazine

?有趣的是，導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭（Christopher Nolan）在其最新的電影《信條》（Tenet，2020）中結(jié)合了這樣的視覺(jué)片段，事件在時(shí)間上向前或向后進(jìn)行。這最初會(huì)造成混亂，但我們很快就會(huì)學(xué)會(huì)辨別不同的視覺(jué)元素——比如高速公路上的汽車奇怪地從毀滅中翻轉(zhuǎn)回來(lái)——并立即識(shí)別出這種違反預(yù)期的向前的“時(shí)間之箭”。?熱力學(xué)的美妙之處在于，“時(shí)間之箭”可以用熵增來(lái)優(yōu)雅地進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)從有序到無(wú)序時(shí)，例如當(dāng)玻璃破碎時(shí)，熵就會(huì)增加?？梢杂?jì)算出總的熵增，如果它大于零，就可以說(shuō)一個(gè)系統(tǒng)是不可逆的，處于非平衡態(tài)。換句話說(shuō)，玻璃被打碎是一個(gè)明顯的非平衡和不可逆系統(tǒng)的例子（除了在虛構(gòu)的現(xiàn)實(shí)世界——物理學(xué)定義的“信條”世界）。?與此相反，作為平衡系統(tǒng)的一個(gè)例子，想象一下觀看碰撞臺(tái)球的錄像。當(dāng)向前和向后看這部影片時(shí)，你很難分辨出每部影片的“時(shí)間之箭”。在熱力學(xué)概念中，這是因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程沒(méi)有產(chǎn)生熵，創(chuàng)造了一個(gè)內(nèi)在可逆的過(guò)程。?這些熱力學(xué)概念是強(qiáng)大的工具，原則上可以應(yīng)用于任何事物。因此，我們和其他研究人員已經(jīng)開(kāi)始將它們應(yīng)用于大腦信號(hào)。這使我們能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地測(cè)量大腦信號(hào)中的不可逆水平，來(lái)測(cè)量環(huán)境如何驅(qū)動(dòng)大腦。我們正在研究這些工具如何能夠捕捉到大腦中的“時(shí)間之箭”和熵增，從而精確評(píng)估外部世界和我們的身體在不同情況下如何驅(qū)動(dòng)大腦達(dá)到非平衡態(tài)。這甚至可能用來(lái)描述在出現(xiàn)任何明顯的癥狀之前，患病的大腦中平衡的變化。?

3.?深度學(xué)習(xí)描述大腦信號(hào)中的“時(shí)間之箭”

最近，我們將熱力學(xué)與一種叫做深度學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，來(lái)描述大腦信號(hào)中的“時(shí)間之箭”[4]。深度學(xué)習(xí)方法在創(chuàng)造有用的工具方面已經(jīng)非常成功，例如從一種語(yǔ)言到另一種語(yǔ)言的自動(dòng)機(jī)器翻譯。關(guān)鍵的想法是讓深度學(xué)習(xí)算法在大型數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)模式，然后將這種學(xué)習(xí)推廣到新的情況。舉個(gè)例子，以語(yǔ)言學(xué)習(xí)為例，深度學(xué)習(xí)將輸入兩種或更多語(yǔ)言的文本，然后學(xué)習(xí)當(dāng)一個(gè)詞在特定語(yǔ)境下出現(xiàn)時(shí)做出推論泛化。這使得該算法能夠生成比以前的技術(shù)好得多的機(jī)器翻譯，在使用谷歌翻譯時(shí)就可以感受到這一點(diǎn)。?我們將深度學(xué)習(xí)作為工具，學(xué)習(xí)區(qū)分向前和反向的大腦信號(hào)。最初，在學(xué)習(xí)階段，每個(gè)大腦信號(hào)都被貼上向前或人工生成的反向的標(biāo)簽，深度學(xué)習(xí)算法學(xué)會(huì)以高精確度區(qū)分它們。在測(cè)試階段，新的大腦信號(hào)被送入深度學(xué)習(xí)算法并根據(jù)規(guī)則進(jìn)行分類。?作為對(duì)諾蘭的敬意，我們把這種算法稱為TENET（Temporal Evolution NET）。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)大腦信號(hào)使用TENET的準(zhǔn)確程度直接提供了給定大腦狀態(tài)的不可逆和非平衡程度。通過(guò)這種方式，我們可以評(píng)估環(huán)境在不同條件下（無(wú)論是休息還是執(zhí)行任務(wù)）驅(qū)動(dòng)人類大腦的程度。?

圖3. 大腦信號(hào)中的“時(shí)間之箭”。| 來(lái)源：Quanta Magazine?我們的研究結(jié)果證實(shí)，總的來(lái)說(shuō)，大腦是由環(huán)境驅(qū)動(dòng)的，更重要的是，與休息時(shí)相比，人類大腦在執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)更接近非平衡態(tài)、更不可逆。相比之下，當(dāng)使用TENET來(lái)描述患有雙相情感障礙、ADHD和精神分裂癥的神經(jīng)精神病人的靜息狀態(tài)大腦活動(dòng)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這些患者的大腦比健康參與者的大腦更接近平衡態(tài)。這表明神經(jīng)精神病人的大腦與環(huán)境更加隔絕，更可能受內(nèi)在驅(qū)動(dòng)。例如，這與抑郁癥患者的反芻導(dǎo)致與外部世界的惡性隔離進(jìn)而導(dǎo)致抑郁癥相吻合。?總的來(lái)說(shuō)，使用熱力學(xué)方法來(lái)描述大腦活動(dòng)的特點(diǎn)，有可能在提供新的生物標(biāo)志物方面非常有用，可以幫助在第一個(gè)嚴(yán)重癥狀發(fā)生之前，提前確定那些有患病風(fēng)險(xiǎn)的人。事實(shí)上，進(jìn)一步建立疾病中大腦活動(dòng)的全腦模型可能有助于確定干預(yù)策略，以減少大腦變得更接近平衡態(tài)、更難參與世界的風(fēng)險(xiǎn)。?這些發(fā)現(xiàn)是有希望的，但仍有挑戰(zhàn)需要克服。對(duì)深度學(xué)習(xí)的主要批評(píng)之一集中在其“黑箱”[5]性質(zhì)上，它對(duì)解決復(fù)雜問(wèn)題可能有相當(dāng)大的實(shí)際效用，但對(duì)如何從機(jī)理上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)幾乎沒(méi)有產(chǎn)生新的見(jiàn)解。這種黑箱批評(píng)并不適用于我們使用深度學(xué)習(xí)來(lái)學(xué)習(xí)大腦信號(hào)中的“時(shí)間之箭”，因?yàn)槲覀冎皇前阉鳛橐粋€(gè)高效的工具來(lái)發(fā)現(xiàn)大腦信號(hào)中的可逆性水平。事實(shí)上，我們后來(lái)還使用了其他不相關(guān)的技術(shù)來(lái)估計(jì)大腦信號(hào)的熵增和可逆性，這有助于我們更深入地了解大腦熱力學(xué)。?

4.?大腦利用“湍流”遠(yuǎn)離平衡態(tài)

作為對(duì)這些熱力學(xué)研究結(jié)果的補(bǔ)充，為了真正理解非平衡大腦狀態(tài)的非線性生成，我們還使用了湍流的原理。這項(xiàng)研究使我們不僅僅是在非平衡系統(tǒng)中建立“時(shí)間之箭”。?大多數(shù)人主要將湍流與水的漩渦或飛機(jī)上的恐怖經(jīng)歷聯(lián)系在一起。但湍流首先是自然界中一個(gè)基本且非常有用的原理，它提供了最佳的混合特性，允許能量和信息在空間和時(shí)間上有效傳輸。事實(shí)上，過(guò)去一個(gè)世紀(jì)的研究表明，湍流是在多個(gè)尺度上跨時(shí)空級(jí)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(shí)際的層面上，這已經(jīng)被證明有許多重要的相關(guān)應(yīng)用：從烹飪時(shí)的湍流攪拌幫助混合配料，到尋找更節(jié)能的方法來(lái)改進(jìn)化工廠、飛機(jī)和風(fēng)車。?從歷史上看，“湍流”是達(dá)芬奇在1508-1514年創(chuàng)造的。達(dá)芬奇在試圖捕捉看似隨機(jī)的水流漩渦運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律時(shí)，面臨著一項(xiàng)最困難的挑戰(zhàn)。然而，他沒(méi)有回避試圖理解和描述這種擁擠動(dòng)力學(xué)的基本生成原理。他用意大利語(yǔ)提出了 turbolenza 這個(gè)短語(yǔ)，這個(gè)短語(yǔ)源于 turba，在拉丁語(yǔ)中是“聚集”（crowds）的意思。這種不同尺度的渦旋特征明顯早于數(shù)學(xué)天氣預(yù)報(bào)先驅(qū)、英國(guó)博學(xué)者劉易斯·弗萊·理查森（Lewis Fry Richardson，1881-1953）的開(kāi)創(chuàng)性觀察，他描述了重要的湍流能量級(jí)聯(lián)原理（turbulent energy cascade principle）。?理查森在達(dá)芬奇的觀察基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)流體中存在不同大小的渦流或漩渦，每個(gè)漩渦都對(duì)應(yīng)著一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。大漩渦和小漩渦之間的相互作用以速度或動(dòng)能的形式交換能量；這被稱為能量級(jí)聯(lián)，它在不同尺度之間傳遞能量，這些尺度大致與不同漩渦的大小相對(duì)應(yīng)。理查森在一首幽默的詩(shī)中描述了這種能量級(jí)聯(lián)：“大漩渦將速度傳遞給小漩渦，小漩渦有更小的漩渦，以此類推，形成粘度......”一部關(guān)于蚤類（分類目虹吸翅目）的戲劇，使用了英國(guó)數(shù)學(xué)家?jiàn)W古斯都·德·摩根（Augustus De Morgan）的一首短詩(shī)：“大跳蚤的背上有小跳蚤咬它們，/小跳蚤的背上有更小的跳蚤，如此直到無(wú)窮”——這本身是對(duì)喬納森·斯威夫特（Jonathan Swift）一首詩(shī)中一句話的解讀。?

圖4. 達(dá)芬奇畫作《洪水》（c1517-1518）。在生命的最后幾年，達(dá)芬奇在繪畫和寫作中反復(fù)提到了一場(chǎng)淹沒(méi)風(fēng)景的災(zāi)難性風(fēng)暴的主題。| 圖片來(lái)源：The Royal Collection Trust/Her Majesty Queen Elizabeth II 2022

?俄羅斯數(shù)學(xué)家安德烈·科爾莫戈羅夫（Andrey Kolmogorov，1903-1987）在其開(kāi)創(chuàng)性關(guān)于湍流的現(xiàn)象學(xué)理論中將這些詩(shī)意的觀察形式化。這一極具影響力的理論證明了一個(gè)基本的指數(shù)標(biāo)度律，揭示了流體動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵底層機(jī)制，即平衡動(dòng)力學(xué)和粘性耗散的能量級(jí)聯(lián)?？臻g指數(shù)標(biāo)度律是湍流的一個(gè)標(biāo)志，它為理查森早期的級(jí)聯(lián)渦旋概念提供了數(shù)學(xué)描述。這與達(dá)芬奇的觀察結(jié)果顯著相關(guān)，達(dá)芬奇觀察到，朝向漩渦中心的圓周的收縮比水的動(dòng)力減弱的速度更快，這就是為什么水在中心附近旋轉(zhuǎn)得更快。?大腦熱力學(xué)規(guī)定，大腦必須盡可能遠(yuǎn)離平衡態(tài)來(lái)確保我們的生存。不幸的是，大腦相當(dāng)緩慢，信號(hào)在神經(jīng)元之間傳輸?shù)臅r(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十毫秒，這使得我們沒(méi)有太多的時(shí)間對(duì)環(huán)境中的危險(xiǎn)事物作出反應(yīng)。因此，大腦如何仍能如此快速地處理如此多的信息多年來(lái)一直是一個(gè)難題?？紤]到湍流是自然界各個(gè)層面的能量/信息交換的指導(dǎo)原則，它是這個(gè)深刻問(wèn)題的關(guān)鍵答案。?最近我們證明，整個(gè)大腦中必要的快速信息共享由湍流信息級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)（turbulent information cascades）[6]。此外，我們證明，在復(fù)雜環(huán)境中生存所需的協(xié)調(diào)工作，是利用罕見(jiàn)的長(zhǎng)距離解剖學(xué)連接、通過(guò)湍流信息級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。這為大腦這個(gè)小的全局區(qū)域工作空間提供了信息傳輸?shù)谋匾俣?，使其成為意識(shí)協(xié)調(diào)的指導(dǎo)者[7]。?總的來(lái)說(shuō)，薛定諤關(guān)于什么使我們生存下來(lái)的問(wèn)題，同樣可以從大腦如何允許內(nèi)在和外在信息之間具有最佳混合的角度提出。事實(shí)證明，湍流是大自然以最有效的方式跨越時(shí)間和空間來(lái)混合和傳輸能量/信息的最佳方法。這里提出的新結(jié)果表明，為了生存，大腦利用湍流來(lái)保持遠(yuǎn)離平衡態(tài)。?因此，對(duì)于大腦如何受環(huán)境驅(qū)動(dòng)并在環(huán)境中導(dǎo)航這個(gè)問(wèn)題，湍流和熱力學(xué)非平衡態(tài)是同一枚硬幣的兩面。這些原則不僅讓我們得以生存，有時(shí)還會(huì)讓我們茁壯成長(zhǎng)。因此，我們當(dāng)前的一個(gè)主要目標(biāo)是利用這個(gè)框架，通過(guò)研究大腦狀態(tài)，如冥想、音樂(lè)和迷幻藥等已知能喚起幸福感和繁榮狀態(tài)的大腦狀態(tài)，來(lái)發(fā)現(xiàn)潛在的大腦機(jī)制。?

參考鏈接

[1]https://arxiv.org/pdf/2012.10792.pdf[2]https://aeon.co/essays/consciousness-is-not-a-thing-but-a-process-of-inference[3]https://www.science.org/doi/10.1126/science.1134405[4]https://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2021/07/04/2021.07.02.450899.full.pdf[5]https://aeon.co/essays/our-world-is-a-black-box-predictable-but-not-understandable[6]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34437842/[7]https://psyche.co/ideas/the-brain-has-a-team-of-conductors-orchestrating-consciousness

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