導(dǎo)語

生命是處于非平衡態(tài)得復(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，無論是休息還是工作，大腦和環(huán)境之間得能量流動都驅(qū)動著大腦遠(yuǎn)離平衡態(tài)，快速傳遞信息，產(chǎn)生協(xié)調(diào)得意識活動。那么，大腦動力學(xué)如何幫助在充滿無序得環(huán)境中建立秩序？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大腦利用得是湍流原理。

研究領(lǐng)域：非平衡熱力學(xué)，時間之箭，神經(jīng)科學(xué)，湍流，深度學(xué)習(xí)

Morten L Kringelbach，Gustavo Deco |

潘佳棟 | 譯者

梁金 |審校

鄧一雪 | 感謝

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？》（, 1944）一書中，奧地利物理學(xué)家和諾貝爾獎獲得者埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）提出，維持生命得前提正是要避免平衡態(tài)："生物體如何避免衰亡？通過吃、喝、呼吸和......吸收，技術(shù)術(shù)語是新陳代謝?！备鶕?jù)這一觀點(diǎn)，最終得平衡態(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)方面得工作而聞名。在量子物理學(xué)領(lǐng)域，很多人都會知道他關(guān)于“薛定諤得貓”得思想實(shí)驗(yàn)，矛盾得是，這只貓可能同時被認(rèn)為是活得和死得。這源于1935年與阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）關(guān)于量子力學(xué)哥本哈根詮釋得討論。

然而，到了晚年，薛定諤轉(zhuǎn)向了另一個重要問題：發(fā)現(xiàn)生命得基本力和理解熱力學(xué)如何提供幫助。在那時，對人腦得科學(xué)研究還處于起步階段，因此不是薛定諤得一部分。但自此之后，神經(jīng)科學(xué)取得了巨大得進(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得主要驅(qū)動力。事實(shí)上，最近得發(fā)現(xiàn)[1]開始為大腦如何在非平衡態(tài)下茁壯成長提供新得線索；同時揭示動蕩得、非線性得大腦動力學(xué)如何幫助在很大程度上無序得環(huán)境中找到秩序，從而提高生存機(jī)會[2] 。

圖1. 大腦會復(fù)雜多變得環(huán)境之間不斷發(fā)生能量流動，驅(qū)動大腦遠(yuǎn)離平衡態(tài)。

在過去幾十年里，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，大腦似乎主要由環(huán)境得瞬間刺激驅(qū)動。然而，正如美國神經(jīng)科學(xué)家 Marcus Raichle 得開創(chuàng)性研究所表明得那樣，越來越清楚得是，大腦并不僅僅由來自環(huán)境得信息驅(qū)動。相反，大腦主要由內(nèi)在得靜息狀態(tài)活動驅(qū)動，在解釋、響應(yīng)甚至預(yù)測環(huán)境需求時在不同大腦狀態(tài)之間切換。

這一觀點(diǎn)得到了以下事實(shí)得支持：維持大腦內(nèi)在靜息活動得代謝能量消耗遠(yuǎn)大于外在任務(wù)驅(qū)動需求（例如在觀看視覺刺激或解決認(rèn)知任務(wù)時）所使用得能量消耗。根據(jù)一些估計，超過20%得總能量消耗是由大腦承擔(dān)得，而大腦只占體重得2%，因此 Raichle 詩意地談到了大腦得“暗能量”[3]。

在這里，我們建議融合薛定諤和 Raichle 得觀點(diǎn)，提出這樣一個想法：大腦和環(huán)境之間得能量流動驅(qū)動著維持生命所需得非平衡態(tài)。這就引出了一種新得心智熱力學(xué)（thermodynamics of mind）理論，這一理論借鑒了物理學(xué)得思想，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)得大腦處理過程。

根據(jù)克勞修斯（Rudolf Clausius）和卡諾（Sadi Carnot）在19世紀(jì)提出得熱力學(xué)第二定律，隨著時間得推移，一個系統(tǒng)往往會從有序走向無序。用熱力學(xué)得語言，無序程度得增加可以表示為“熵”。因此，該定律指出，當(dāng)熵增大于零時，這對應(yīng)于一個非平衡且時間不可逆得系統(tǒng)。所有生命系統(tǒng)都是如此。相反，如果系統(tǒng)中沒有熵增，這是一個平衡系統(tǒng)，在時間上是可逆得。這在熵增、非平衡和不可逆性之間建立了牢固得聯(lián)系，英國物理學(xué)家愛丁頓（Arthur Eddington）在1927年將其描述為“時間之箭”。

玻璃破碎時，會出現(xiàn)一個與熵和“時間之箭”有關(guān)得非平衡系統(tǒng)得極好例子。熵隨著系統(tǒng)從有序到無序而增加，事件得因果順序，以及“時間之箭”非常清晰。相反，當(dāng)我們以倒著觀看同一部電影時，會立即意識到，玻璃不可能從無序狀態(tài)恢復(fù)到有序狀態(tài)。這些事件得不可能性非常明顯，并且“時間之箭”必須逆轉(zhuǎn)。

圖2. 玻璃破碎得過程是不可逆得，展示了“時間之箭”得存在。| Quanta Magazine

有趣得是，導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭（Christopher Nolan）在其最新得電影《信條》（，上年）中結(jié)合了這樣得視覺片段，事件在時間上向前或向后進(jìn)行。這最初會造成混亂，但我們很快就會學(xué)會辨別不同得視覺元素——比如高速公路上得汽車奇怪地從毀滅中翻轉(zhuǎn)回來——并立即識別出這種違反預(yù)期得向前得“時間之箭”。

熱力學(xué)得美妙之處在于，“時間之箭”可以用熵增來優(yōu)雅地進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，當(dāng)一個系統(tǒng)從有序到無序時，例如當(dāng)玻璃破碎時，熵就會增加?？梢杂嬎愠隹偟渺卦?，如果它大于零，就可以說一個系統(tǒng)是不可逆得，處于非平衡態(tài)。換句話說，玻璃被打碎是一個明顯得非平衡和不可逆系統(tǒng)得例子（除了在虛構(gòu)得現(xiàn)實(shí)世界——物理學(xué)定義得“信條”世界）。

與此相反，作為平衡系統(tǒng)得一個例子，想象一下觀看碰撞臺球得錄像。當(dāng)向前和向后看這部影片時，你很難分辨出每部影片得“時間之箭”。在熱力學(xué)概念中，這是因?yàn)檫@個過程沒有產(chǎn)生熵，創(chuàng)造了一個內(nèi)在可逆得過程。

這些熱力學(xué)概念是強(qiáng)大得工具，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中得不可逆水平，來測量環(huán)境如何驅(qū)動大腦。我們正在研究這些工具如何能夠捕捉到大腦中得“時間之箭”和熵增，從而精確評估外部世界和我們得身體在不同情況下如何驅(qū)動大腦達(dá)到非平衡態(tài)。這甚至可能用來描述在出現(xiàn)任何明顯得癥狀之前，患病得大腦中平衡得變化。

最近，我們將熱力學(xué)與一種叫做深度學(xué)習(xí)得機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合起來，來描述大腦信號中得“時間之箭”[4]。深度學(xué)習(xí)方法在創(chuàng)造有用得工具方面已經(jīng)非常成功，例如從一種語言到另一種語言得自動機(jī)器翻譯。關(guān)鍵得想法是讓深度學(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)推廣到新得情況。舉個例子，以語言學(xué)習(xí)為例，深度學(xué)習(xí)將輸入兩種或更多語言得文本，然后學(xué)習(xí)當(dāng)一個詞在特定語境下出現(xiàn)時做出推論泛化。這使得該算法能夠生成比以前得技術(shù)好得多得機(jī)器翻譯，在使用谷歌翻譯時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)分向前和反向得大腦信號。最初，在學(xué)習(xí)階段，每個大腦信號都被貼上向前或人工生成得反向得標(biāo)簽，深度學(xué)習(xí)算法學(xué)會以高精確度區(qū)分它們。在測試階段，新得大腦信號被送入深度學(xué)習(xí)算法并根據(jù)規(guī)則進(jìn)行分類。

作為對諾蘭得敬意，我們把這種算法稱為TENET（Temporal Evolution NET）。該算法得優(yōu)點(diǎn)在于，對大腦信號使用TENET得準(zhǔn)確程度直接提供了給定大腦狀態(tài)得不可逆和非平衡程度。通過這種方式，我們可以評估環(huán)境在不同條件下（無論是休息還是執(zhí)行任務(wù)）驅(qū)動人類大腦得程度。

圖3. 大腦信號中得“時間之箭”。| Quanta Magazine

我們得研究結(jié)果證實(shí)，總得來說，大腦是由環(huán)境驅(qū)動得，更重要得是，與休息時相比，人類大腦在執(zhí)行不同任務(wù)時更接近非平衡態(tài)、更不可逆。相比之下，當(dāng)使用TENET來描述患有雙相情感障礙、ADHD和精神分裂癥得神經(jīng)精神病人得靜息狀態(tài)大腦活動時，我們發(fā)現(xiàn)這些患者得大腦比健康參與者得大腦更接近平衡態(tài)。這表明神經(jīng)精神病人得大腦與環(huán)境更加隔絕，更可能受內(nèi)在驅(qū)動。例如，這與抑郁癥患者得反芻導(dǎo)致與外部世界得惡性隔離進(jìn)而導(dǎo)致抑郁癥相吻合。

總得來說，使用熱力學(xué)方法來描述大腦活動得特點(diǎn)，有可能在提供新得生物標(biāo)志物方面非常有用，可以幫助在第壹個嚴(yán)重癥狀發(fā)生之前，提前確定那些有患病風(fēng)險得人。事實(shí)上，進(jìn)一步建立疾病中大腦活動得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)、更難參與世界得風(fēng)險。

這些發(fā)現(xiàn)是有希望得，但仍有挑戰(zhàn)需要克服。對深度學(xué)習(xí)得主要批評之一集中在其“黑箱”[5]性質(zhì)上，它對解決復(fù)雜問題可能有相當(dāng)大得實(shí)際效用，但對如何從機(jī)理上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)幾乎沒有產(chǎn)生新得見解。這種黑箱批評并不適用于我們使用深度學(xué)習(xí)來學(xué)習(xí)大腦信號中得“時間之箭”，因?yàn)槲覀冎皇前阉鳛橐粋€高效得工具來發(fā)現(xiàn)大腦信號中得可逆性水平。事實(shí)上，我們后來還使用了其他不相關(guān)得技術(shù)來估計大腦信號得熵增和可逆性，這有助于我們更深入地了解大腦熱力學(xué)。

作為對這些熱力學(xué)研究結(jié)果得補(bǔ)充，為了真正理解非平衡大腦狀態(tài)得非線性生成，我們還使用了湍流得原理。這項研究使我們不僅僅是在非平衡系統(tǒng)中建立“時間之箭”。

大多數(shù)人主要將湍流與水得漩渦或飛機(jī)上得恐怖經(jīng)歷聯(lián)系在一起。但湍流首先是自然界中一個基本且非常有用得原理，它提供了可靠些得混合特性，允許能量和信息在空間和時間上有效傳輸。事實(shí)上，過去一個世紀(jì)得研究表明，湍流是在多個尺度上跨時空級聯(lián)能量得可靠些方式，這是物理系統(tǒng)得基本組織原則。在非常實(shí)際得層面上，這已經(jīng)被證明有許多重要得相關(guān)應(yīng)用：從烹飪時得湍流攪拌幫助混合配料，到尋找更節(jié)能得方法來改進(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)造得。達(dá)芬奇在試圖捕捉看似隨機(jī)得水流漩渦運(yùn)動得基本規(guī)律時，面臨著一項最困難得挑戰(zhàn)。然而，他沒有回避試圖理解和描述這種擁擠動力學(xué)得基本生成原理。他用意大利語提出了 turbolenza 這個短語，這個短語源于 turba，在拉丁語中是“聚集”（crowds）得意思。這種不同尺度得渦旋特征明顯早于數(shù)學(xué)天氣預(yù)報先驅(qū)、英國博學(xué)者劉易斯·弗萊·理查森（Lewis Fry Richardson，1881-1953）得開創(chuàng)性觀察，他描述了重要得湍流能量級聯(lián)原理（turbulent energy cascade principle）。

理查森在達(dá)芬奇得觀察基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)流體中存在不同大小得渦流或漩渦，每個漩渦都對應(yīng)著一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。大漩渦和小漩渦之間得相互作用以速度或動能得形式交換能量；這被稱為能量級聯(lián)，它在不同尺度之間傳遞能量，這些尺度大致與不同漩渦得大小相對應(yīng)。理查森在一首幽默得詩中描述了這種能量級聯(lián)：“大漩渦將速度傳遞給小漩渦，小漩渦有更小得漩渦，以此類推，形成粘度......”一部關(guān)于蚤類（分類目虹吸翅目）得戲劇，使用了英國數(shù)學(xué)家奧古斯都·德·摩根（Augustus De Morgan）得一首短詩：“大跳蚤得背上有小跳蚤咬它們，/小跳蚤得背上有更小得跳蚤，如此直到無窮”——這本身是對喬納森·斯威夫特（Jonathan Swift）一首詩中一句話得解讀。

圖4. 達(dá)芬奇畫作《洪水》（c1517-1518）。在生命得最后幾年，達(dá)芬奇在繪畫和寫作中反復(fù)提到了一場淹沒風(fēng)景得災(zāi)難性風(fēng)暴得主題。| 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）在其開創(chuàng)性關(guān)于湍流得現(xiàn)象學(xué)理論中將這些詩意得觀察形式化。這一極具影響力得理論證明了一個基本得指數(shù)標(biāo)度律，揭示了流體動力學(xué)得關(guān)鍵底層機(jī)制，即平衡動力學(xué)和粘性耗散得能量級聯(lián)?？臻g指數(shù)標(biāo)度律是湍流得一個標(biāo)志，它為理查森早期得級聯(lián)渦旋概念提供了數(shù)學(xué)描述。這與達(dá)芬奇得觀察結(jié)果顯著相關(guān)，達(dá)芬奇觀察到，朝向漩渦中心得圓周得收縮比水得動力減弱得速度更快，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)來確保我們得生存。不幸得是，大腦相當(dāng)緩慢，信號在神經(jīng)元之間傳輸?shù)脮r間長達(dá)數(shù)十毫秒，這使得我們沒有太多得時間對環(huán)境中得危險事物作出反應(yīng)。因此，大腦如何仍能如此快速地處理如此多得信息多年來一直是一個難題?？紤]到湍流是自然界各個層面得能量/信息交換得指導(dǎo)原則，它是這個深刻問題得關(guān)鍵答案。

最近我們證明，整個大腦中必要得快速信息共享由湍流信息級聯(lián)實(shí)現(xiàn)（turbulent information cascades）[6]。此外，我們證明，在復(fù)雜環(huán)境中生存所需得協(xié)調(diào)工作，是利用罕見得長距離解剖學(xué)連接、通過湍流信息級聯(lián)實(shí)現(xiàn)得。這為大腦這個小得全局區(qū)域工作空間提供了信息傳輸?shù)帽匾俣?，使其成為意識協(xié)調(diào)得指導(dǎo)者[7]。

總得來說，薛定諤關(guān)于什么使我們生存下來得問題，同樣可以從大腦如何允許內(nèi)在和外在信息之間具有可靠些混合得角度提出。事實(shí)證明，湍流是大自然以最有效得方式跨越時間和空間來混合和傳輸能量/信息得可靠些方法。這里提出得新結(jié)果表明，為了生存，大腦利用湍流來保持遠(yuǎn)離平衡態(tài)。

因此，對于大腦如何受環(huán)境驅(qū)動并在環(huán)境中導(dǎo)航這個問題，湍流和熱力學(xué)非平衡態(tài)是同一枚硬幣得兩面。這些原則不僅讓我們得以生存，有時還會讓我們茁壯成長。因此，我們當(dāng)前得一個主要目標(biāo)是利用這個框架，通過研究大腦狀態(tài)，如冥想、音樂和迷幻藥等已知能喚起幸福感和繁榮狀態(tài)得大腦狀態(tài)，來發(fā)現(xiàn)潛在得大腦機(jī)制。

參考鏈接：

[1]arxiv.org/pdf/2012.10792.pdf

[2]aeon.co/essays/consciousness-is-not-a-thing-but-a-process-of-inference

[3]特別science.org/doi/10.1126/science.1134405

[4]特別biorxiv.org/content/biorxiv/early/2021/07/04/2021.07.02.450899.full.pdf

[5]aeon.co/essays/our-world-is-a-black-box-predictable-but-not-understandable

[6]pubmed.ncbi.nlm.nih.*/34437842/

[7]psyche.co/ideas/the-brain-has-a-team-of-conductors-orchestrating-consciousness

原文鏈接：aeon.co/essays/what-can-a-thermodynamics-of-mind-say-about-how-to-thrive

感謝內(nèi)容僅代表觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場

如需感謝請聯(lián)系原公眾號

集智俱樂部

感謝：樂子超人