湍流如何帮助大脑克服其固有的缓慢

在由UPF大脑与认知中心(CBC)和牛津大学幸福与人类繁荣中心领导的一项新的杰作神经科学研究中，研究人员发现，整个大脑的有效信息传输取决于湍流证明用脑磁图直接测量的快速神经元脑动力学中的湍流。

500多年前，列奥纳多·达芬奇(LeonardoDaVinci)最初创造了“turbolenza”，湍流已被证明在自然界中无处不在，作为一种重要的动力机制，促进跨时空尺度的能量和高效信息传输。

这是UPFCBC、牛津大学和印第安纳大学的研究人员进行的一项研究的结果，他们的结果发表在最近发表在《大脑动力学信息传递中湍流的影响》一文中通信物理学。

该论文的共同作者是GustavoDeco(CBC-UPF)、SamuelLiebanaGarcia(牛津大学)、YonatanSanzPerl(CBC-UPF)、OlafSporns(印第安纳大学)和MortenL.Kringelbach(牛津大学)牛津)。

新的基于湍流的生物标志物

湍流是人脑信息处理的关键这一新的基本发现可用于构建新的疾病生物标志物。大多数人主要将湍流与漩涡或飞机上的可怕经历联系起来。

但最重要的是，湍流是自然界的一项基本原理，它提供了最佳的混合特性，可以在空间和时间上有效地传输能量和信息。湍流已被证明是在许多尺度上跨越时空级联能量的最佳方式，因此是物理系统的基本组织原则。

这具有重要的实际意义，例如在烹饪时使用湍流搅拌效果更好，因为这有助于最佳地混合配料。同样，湍流也被用来寻找更节能的方法来改进化工厂、飞机和风车。

局部亚稳态的新测量方法测量神经元电通量在空间和时间尺度上的连续动态运动的变化。正如文章的主要作者和UPFCBC的研究员GustavoDeco教授所解释的那样，这项新措施构成了检测神经精神疾病或区分不同大脑状态的新生物标志物：“在这项研究中，我们创造了一个分析大脑动力学的新视角，它可以生成可能在神经精神病学中有用的新生物标志物。”

资深作者MortenLKringelbach教授补充说：“这些结果提供了关于湍流以及更普遍的热力学如何成为大脑生存和繁荣的关键原理的基本新见解。”

这种新的测量单位的创建对于能够比以前的研究更精确地研究信息和能量如何通过神经湍流在大脑内有效传输至关重要。以前，使用功能性MRI测量湍流，这是一种间接、缓慢的神经元活动测量，取决于血液中的氧合水平。

因此，fMRI不直接测量神经元的电信号，而是通过延迟(或潜伏期)捕获它们，这对应于血液对大脑信号做出反应所花费的时间。

第一次在快速全脑动力学中显示出湍流

为了克服功能性MRI的局限性，研究人员使用脑磁图(MEG)技术来分析整个大脑中的湍流。MEG在毫秒内直接测量神经元的电信号，因此会立即捕获它们，与fMRI在数秒内捕获大脑动力学的快速时间尺度相比，在毫秒内捕获。然而，MEG空间精度仅为5mm3左右，不如fMRI提供的1mm3高。

这种新的测量系统已经应用于89名健康人皮层区域的大脑活动。结果使用全脑建模来证明大脑湍流对于在大脑中在空间和时间上有效地传输信息和能量至关重要。

着眼于未来，研究人员计划在皮层下区域测试这种新的基于湍流的敏感生物标志物。这些包括对帕金森氏症或亨廷顿氏症等疾病很重要的大脑区域。虽然它们的影响也在皮质中发现，但检查皮质下区域可以促进进一步的早期诊断和潜在的预防或治疗。