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我是斜杠青年 ， 一个热爱前沿科学的“杂食性”学者！
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） 。
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