热力学第二定律是如何帮助研究大脑的
爱因斯坦在他1949年的自传中这样解释:“一个理论的前提越简单，它所涉及的不同事物越多，它的适用范围越广，它就越令人印象深刻。因此经典热力学给我的深刻印象。这是唯一一个具有普遍内容的物理理论，我相信在其基本概念的适用范围内，它永远不会被推翻。”
热力学原理适用于任何系统。从对发动机、化学反应、宇宙膨胀或黑洞的理解，到对大脑州
UPF大脑与认知中心(CBC)计算神经科学小组的研究人员与阿根廷、澳大利亚、中国、欧洲和英国的大学合作，最近发表了一项研究，展示了热力学第二定律如何帮助他们理解和生成一个强大的生物标志物来区分大脑状态。
“多年来，我们的团队一直在研究大脑在不同状态下的动态变化，例如，在睡眠、清醒和积极的认知活动之间，或在昏迷期间，或在患有痴呆症的患者身上神经系统疾病小组主任、ICREA研究员Gustavo Deco解释道。“潜在的观点是，大脑的工作方式就像一个管弦乐队，有指挥和部分领导(小提琴、管乐器、弦乐等)，根据我们的地位，这些层次结构会发生变化和转变，这就是我们设法区分事物的时候。”等级制度是指一个或多个区域接过接力棒，领导其他区域。”
这种变化可以通过测量它们与每个大脑状态的功能连接来量化。这项研究发表在杂志上通信生物学在美国，研究人员量化了这种层次结构，但不仅是通过使用一种叫做fMRI(功能性磁共振成像)的技术来测量大脑各个部分之间的相互作用，这种技术可以看到大脑活动，而且还使用了一种基于神经网络的技巧热力学第二定律这就是说，随着时间的推移，系统倾向于从有序行为转向更随机的行为。
这种无序程度的增加被称为“熵”。随着时间的推移，如果熵增加，就意味着系统不处于平衡状态，在时间上是不可逆的，也就是说，我们无法知道它在什么时候。相反，如果熵不增长或不发生，那么它是一个处于平衡状态的系统，因此在时间上是可逆的。
熵增加的一个例子，当系统是不可逆的，将是一个关于破碎玻璃的视频，如果我们倒着或正着看电影，我们可以很容易地知道我们什么时候找到自己(例如，在玻璃破碎之前或之后)。
相反，一个熵不增加的系统，换句话说，可逆的系统，就像一个关于台球游戏的视频，两个球碰撞并反弹离开对方的时刻。由于向前或向后播放视频提供了相同的图像，我们无法区分我们处于哪个位置。
“通过量化大脑不同部分之间的关系，对称性被打破了，”德科解释道。“如果我来回移动这一系列信号，并将它们与薄膜进行比较，我将能够知道它是哪个系统:可逆系统是没有层次的。不可逆的是‘等级制度’。”
通过应用这种逻辑，研究人员发现这项技术是大脑意识的一个很好的生物标志物。在对人类进行的实验中，功能磁共振成像数据显示，在我们执行认知任务时，静息状态和清醒状态之间存在差异。“我们发现，当我们执行更多的认知任务时，我们有更多的不可逆性，也就是说，系统有更多的等级，相反，在没有意识的情况下，不可逆性减少，也就是说，系统有更少的等级，”德科继续说。“这是一个非常好的生物标志物，因为它非常敏感，它告诉我们它背后有一种机制，这有助于对不同的人进行分类大脑状态尤其是那些没有明确共识的，比如昏迷。”
这是一个非常实用的话题，因为状态分类有助于定义患者的治疗方法和期望。有一个良好的生物标志物，以任何类型的神经精神疾病，脑血管事故，心脏病发作，甚至抑郁症为特征是第一步。“然后必须对它进行建模，必须使用硅模型来测试所有可能的扰动，而且也是针对每个人的个性化扰动，以确定治疗每个患者的最佳行动计划。这种类型的方法具有很大的转译兴趣，也就是说，将这种基础研究的结果应用到行业中，”他总结道。
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