Поток энергии между мозгом и окружающей средой создает неравновесие, поддерживающее жизнь. Может ли турбулентность помочь нам процветать?
Согласно термодинамике, любой живой организм постоянно обменивается потоками вещества и энергии с окружающей средой. Таким образом, система находится в неравновесном состоянии. В своей книге « Что такое жизнь ? » (1944) австрийский физик и лауреат Нобелевской премии Эрвин Шредингер предположил, что поддержание жизни в точности зависит от избегания равновесия: «Как живой организм избегает распада? …Едя, выпивая, дыша и… усваивая. Технический термин — метаболизм . Согласно этой точке зрения, окончательное равновесие — это смерть, и, таким образом, выживание зависит от того, насколько возможно далеко от равновесия.
Шредингер был прежде всего физиком, прежде всего известным своими работами в области квантовой физики, где многим известен его мысленный эксперимент с «котом Шредингера», который, как это ни парадоксально, может считаться одновременно и живым, и мертвым. Это возникло в результате дискуссий с Альбертом Эйнштейном в 1935 году о проблемах копенгагенской интерпретации квантовой механики.
Однако в более позднем возрасте Шредингер обратился к большим и важным вопросам открытия основных сил жизни и понимания того, как область термодинамики может помочь. В те дни научное изучение человеческого мозга все еще находилось в зачаточном состоянии и как таковое не входило в круг интересов Шредингера. Но с тех пор нейробиология добилась больших успехов. Стало совершенно ясно, что мозг должен быть главным двигателем того, как организмы могут избежать равновесия и смерти. Фактически, самые недавние открытия начали проливать новый свет на то, как мозг может даже процветать в условиях неравновесия; и как турбулентная, нелинейная динамика мозга помогает найти порядок в сильно неупорядоченной среде, чтобы повысить шансы на выживание.
За последние несколько десятилетий ученые-мозговеды сосредоточились на том, как мозг, по-видимому, в первую очередь управляется мгновенной стимуляцией из окружающей среды, когда мы выполняем определенные задачи. Тем не менее, как показало новаторское исследование американского невролога Маркуса Рейхла, становится все более очевидным, что мозг управляется не только внешней информацией, поступающей из окружающей среды. Вместо этого мозг в основном формируется за счет внутренней активности в состоянии покоя, переключения между состояниями мозга при интерпретации, реагировании и даже прогнозировании требований окружающей среды.
Эта точка зрения подтверждается тем фактом, что потребление метаболической энергии, поддерживающее внутреннюю активность мозга в состоянии покоя, намного больше, чем потребление энергии, используемой внешними задачами, такими как просмотр визуальных стимулов или решение когнитивных задач. Учитывая, что, по некоторым оценкам, более 20 % общего потребления энергии потребляется мозгом, что составляет всего 2 % массы тела, Райхл поэтично говорил о «темной энергии» мозга.
Здесь мы предлагаем объединить идеи Шредингера и Райхле, чтобы предложить идею о том, что поток энергии между мозгом и окружающей средой приводит к неравновесию, необходимому для поддержания жизни. Это приводит к новой теории термодинамики разума , теории, которая опирается на идеи из физики и позволяет исследователям с большой степенью точности количественно оценивать и характеризовать обработку мозга, приводящую к неравновесию.
Подписаться на нашу рассылку
Обновления обо всем новом в Aeon.
Ваша электронная почта
Повседневная
Еженедельно
Подписывайся
Ознакомьтесь с нашей политикой конфиденциальности для информационных бюллетеней здесь .
Асогласно второму закону термодинамики, предложенному Рудольфом Клаузиусом и Сади Карно в 19 веке, система со временем стремится перейти от порядка к беспорядку. На языке термодинамики это увеличение уровня беспорядка можно выразить как «энтропию». Таким образом, закон гласит, что когда производство энтропии больше нуля, это соответствует системе, которая находится в неравновесии и необратима во времени. Это справедливо для всех живых систем. Напротив, если в системе нет производства энтропии, то это система, находящаяся в равновесии и обратимая во времени. Это устанавливает прочную связь между производством энтропии, неравновесностью и необратимостью, выраженную английским физиком Артуром Эддингтоном в 1927 году как «стрела времени».
Отличный пример неравновесной системы со связанной энтропией и стрелой времени возникает при просмотре кадры разбитого стекла. Энтропия возрастает по мере того, как система переходит от порядка к беспорядку, и причинно-следственная последовательность событий и, следовательно, стрела времени очень ясны. Напротив, при просмотре того же эпизода фильма в обратном порядке мы сразу же понимаем, что стекло не может снова собраться вместе, переходя от беспорядка к порядку. Невозможность событий совершенно очевидна, и стрелу времени необходимо повернуть вспять.
Интересно, что в своем последнем фильме « Довод » (2020) режиссер Кристофер Нолан сочетает такие визуальные сегменты, которые бегут как вперед, так и назад во времени. Поначалу это создает путаницу, но мы быстро учимся различать различные визуальные элементы — например, автомобили на автомагистрали, странным образом отскакивающие назад от разрушения, — и сразу же распознавать такие нарушения ожидаемой стрелы времени вперед.
Изменения равновесия в больном мозге можно охарактеризовать до того, как появятся какие-либо явные симптомы.
Прелесть термодинамики в том, что стрелу времени можно изящно математически описать в терминах производства энтропии, которая увеличивается, когда система переходит от порядка к беспорядку, например, когда разбивается стекло. Общее производство энтропии можно рассчитать, и, если оно больше нуля, говорят, что система необратима и неравновесна. Другими словами, разбитое стекло является ярким примером неравновесной и необратимой системы (за исключением вымышленного реального мира Тенета , бросающего вызов физике ).
Напротив, в качестве примера системы, находящейся в равновесии, представьте кадры со сталкивающимися бильярдными шарами. При просмотре этого фильма вперед и назад вам будет трудно различить стрелу времени для каждого фильма. С термодинамической точки зрения это связано с тем, что процесс не производит энтропию и создает по существу обратимый процесс.
Эти термодинамические концепции — мощные инструменты, которые в принципе можно применить к чему угодно. Поэтому мы и другие исследователи начали применять их к сигналам мозга. Это позволяет нам измерять, как окружающая среда управляет мозгом, просто измеряя уровень необратимости сигналов мозга. В текущих исследованиях мы изучаем, как эти инструменты могут улавливать стрелу времени и производство энтропии в мозге, позволяя точно оценить, как внешний мир и наше тело выводят мозг из равновесия в различных ситуациях. Потенциально это можно было бы даже использовать для характеристики изменений равновесия в больном мозгу до того, как начнут проявляться какие-либо явные симптомы.
рНедавно мы объединили термодинамику с мощью техники машинного обучения, называемой глубоким обучением , чтобы охарактеризовать стрелу времени в сигналах мозга. Подход глубокого обучения оказался очень успешным в создании полезных инструментов, таких как автоматический машинный перевод с одного языка на другой. Основная идея состоит в том, чтобы алгоритм глубокого обучения изучил закономерности в больших наборах данных, а затем распространил это обучение на новые случаи. В качестве примера возьмем изучение языка, когда глубокое обучение будет получать текст на двух или более языках, а затем учиться обобщать, когда слово встречается в определенном контексте. Это позволяет алгоритму генерировать машинные переводы, которые намного лучше, чем предыдущая технология, как это видно при использовании, например, Google Translate.
Мы использовали глубокое обучение как инструмент для обучения различению прямых и обратных версий сигналов мозга. Первоначально, на этапе обучения, каждый сигнал мозга помечается либо прямой, либо искусственно сгенерированной обратной версией, и алгоритм глубокого обучения учится различать их с высокой точностью. На этапе тестирования новые сигналы мозга передаются этому алгоритму глубокого обучения и классифицируются в соответствии с правилами.
В знак уважения к Нолану мы назвали этот алгоритм TENET (Temporal Evolution NET). Прелесть этого алгоритма в том, что уровень точности использования TENET на сигналах мозга напрямую обеспечивает уровень необратимости и неравновесности для данного состояния мозга. Таким образом, мы можем оценить уровень, на котором окружающая среда управляет человеческим мозгом в различных условиях, будь то отдых или выполнение задач.
Мы могли бы уменьшить риск того, что мозг приблизится к равновесию и, следовательно, станет менее способным к взаимодействию с миром.
Наши результаты подтвердили, что в целом мозг управляется окружающей средой и, что немаловажно, мозг человека ближе к неравновесному и более необратимому при выполнении различных задач, чем в состоянии покоя. Напротив, при использовании TENET для характеристики активности мозга в состоянии покоя у психоневрологических пациентов с биполярными расстройствами, СДВГ и шизофренией мы обнаружили, что мозг этих пациентов ближе к равновесию, чем у здоровых участников. Это показывает, что мозг психоневрологических пациентов более изолирован от окружающей среды и с большей вероятностью управляется внутренними силами. Это согласуется с тем, как, например, размышления у пациентов с депрессией могут привести к злокачественной изоляции от внешнего мира, которая может спровоцировать депрессию.
В целом, использование термодинамических методов для характеристики активности мозга потенциально может быть очень полезным для получения новых биомаркеров, которые могут помочь выявить тех, кто подвергается риску заболевания, задолго до появления первых серьезных симптомов. На самом деле, если сделать еще один шаг в построении моделей активности мозга при заболеваниях всего мозга, это может помочь определить стратегии вмешательств, которые могут снизить риск того, что мозг станет ближе к равновесию и, следовательно, станет менее способным к взаимодействию с миром.
Эти результаты являются многообещающими, но есть еще проблемы, которые необходимо преодолеть. Одно из основных критических замечаний в отношении глубокого обучения было сосредоточено на характере достижений в значительной степени « черного ящика », которые, возможно, имели значительную практическую пользу для решения сложных проблем, но мало что дали для нового понимания того, как это достигается механически. Эта критика черного ящика не применима к нашему использованию глубокого обучения для изучения стрелы времени в сигналах мозга, поскольку мы использовали его просто как высокоэффективный инструмент для обнаружения уровня обратимости сигналов мозга. Фактически, с тех пор мы использовали другие, несвязанные методы для оценки производства энтропии и обратимости сигналов мозга, которые помогли нам глубже понять термодинамику сознания.
Сдополняя эти открытия термодинамики и чтобы действительно понять нелинейную генерацию неравновесных состояний мозга, мы также использовали принципы турбулентности. Это исследование позволило нам выйти за рамки простого установления стрелы времени в неравновесных системах.
Турбулентность у большинства людей в первую очередь ассоциируется с водоворотами или с пугающими переживаниями на борту самолетов. Но турбулентность — это, прежде всего, фундаментальный и очень полезный принцип в природе, который обеспечивает оптимальные свойства перемешивания, обеспечивая эффективную передачу энергии/информации в пространстве и времени. На самом деле, исследования прошлого века показали, что турбулентность — это оптимальный способ каскадной передачи энергии в пространстве-времени во многих масштабах, что является фундаментальным организующим принципом физических систем. На очень практическом уровне было показано, что это имеет много важных и актуальных применений: от турбулентного перемешивания во время приготовления, которое помогает смешивать ингредиенты, до поиска более энергоэффективных способов улучшения химических заводов, самолетов и ветряных мельниц.
Исторически турбулентность была придумана в 1508–1514 годах Леонардо да Винчи, который столкнулся с одной из своих самых сложных задач, пытаясь уловить основной порядок в, казалось бы, случайных движениях воды, создающих водовороты. Тем не менее, он не уклонялся от попыток понять и изобразить лежащие в основе порождающие принципы такой переполненной динамики. Он придумал фразу turbolenza на просторечии итальянского языка, происходящую от turba , латинского слова, означающего «толпу». Эта характеристика водоворотов в различных масштабах значительно предшествовала основополагающим наблюдениям английского эрудита Льюиса Фрая Ричардсона (1881–1953), пионера математического прогнозирования погоды, описавшего важный принцип турбулентного энергетического каскада.
Ричардсон основывался на наблюдении Леонардо о том, что в жидкости существуют вихри или водовороты разного размера, где каждый водоворот соответствует вращательному движению. Взаимодействия между большими и меньшими вихрями обмениваются энергией в виде скорости или кинетической энергии; это называется энергетическим каскадом, и он передает энергию в масштабах, которые примерно соответствуют размеру различных водоворотов. Этот энергетический каскад был описан Ричардсоном в юмористическом стихе: «Большие вихри имеют маленькие вихри , которые питаются их скоростью, а маленькие вихри имеют меньшие вихри и т. д. до вязкости…». в коротком стихотворении английского математика Августа Де Моргана: «У больших блох есть маленькие блохи на спине, чтобы кусать их, / Иу маленьких блох есть блохи поменьше, и так до бесконечности» — сам по себе парафраз строки из стихотворения Джонатана Свифта.
Мозг использует турбулентность в своем стремлении держаться подальше от равновесия, чтобы выжить.
Эти поэтические наблюдения были формализованы русским математиком Андреем Колмогоровым (1903–1987) в его новаторской феноменологической теории турбулентности. Эта очень влиятельная теория демонстрирует фундаментальный закон масштабирования мощности, раскрывая ключевые механизмы гидродинамики, а именно энергетические каскады, которые уравновешивают кинетику и вязкую диссипацию. Закон пространственного степенного масштабирования является отличительной чертой турбулентности и обеспечивает математическое описание более ранней концепции Ричардсона о каскадных вихрях. Это замечательно коррелирует с наблюдением Леонардо о том, что сужение окружности к центру вихря происходит быстрее, чем уменьшение импульса воды, поэтому вода вращается быстрее вблизи центра.
Термодинамика разума диктует, что мозг должен обеспечивать наше выживание, удаляя нас как можно дальше от равновесия. К сожалению, мозг работает довольно медленно: сигналы проходят между нейронами в масштабе десятков миллисекунд, что не оставляет много времени для реакции на опасные вещи в окружающей среде. Поэтому в течение многих лет было загадкой, как мозг все еще способен обрабатывать так много информации так быстро. Турбулентность оказывается ключевым ответом на этот глубокий вопрос, учитывая, что она является руководящим принципом обмена энергией/информацией на всех уровнях природы.
Недавно мы продемонстрировали , что необходимый быстрый обмен информацией по всему мозгу возможен благодаря турбулентным информационным каскадам. Кроме того, мы смогли показать, что оркестровка, необходимая для выживания в сложной среде, становится возможной благодаря турбулентным информационным каскадам с использованием редких анатомических связей дальнего действия. Это обеспечивает необходимую скорость передачи информации, чтобы небольшое глобальное рабочее пространство регионов выступало проводниками оркестровки сознания.
В целом, вопрос Шрёдингера о том, что заставляет нас выживать, можно с таким же успехом поставить с точки зрения того, как мозг обеспечивает оптимальную степень смешения внутренней и внешней информации. Как оказалось, турбулентность — это естественный естественный метод смешивания и передачи энергии/информации во времени и пространстве наиболее эффективным способом. Новые результаты, представленные здесь, показывают, что мозг явно использует турбулентность в своем стремлении держаться подальше от равновесия, чтобы выжить.
Таким образом, турбулентность и термодинамическое неравновесие — это две стороны одной медали того, как мозг управляется окружающей средой и ориентируется в ней. Эти принципы позволяют нам не только выживать, но и время от времени процветать. Таким образом, одной из наших основных текущих целей является использование этой структуры для обнаружения основных механизмов мозга путем изучения состояний мозга, таких как медитация, музыка и психоделики, которые, как известно, вызывают состояния эвдемонии и процветания.
