導讀 在由UPF大腦與認知中心(CBC)和牛津大學Eudaimonia和人類繁榮中心領(lǐng)導的一項新的神經(jīng)科學研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過證明直接用腦磁圖測量的...

在由UPF大腦與認知中心(CBC)和牛津大學Eudaimonia和人類繁榮中心領(lǐng)導的一項新的神經(jīng)科學研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過證明直接用腦磁圖測量的快速神經(jīng)元大腦動力學中的湍流，整個大腦的有效信息傳遞取決于湍流。

湍流最初由達芬奇在500多年前創(chuàng)造“渦輪倫薩”，已被證明在自然界中無處不在，作為一種重要的動力機制，促進了跨時空尺度的能量和有效信息傳輸。

這是來自UPF，牛津大學和印第安納大學的CBC研究人員進行的一項研究的結(jié)果，其結(jié)果發(fā)表在最近發(fā)表在Communications Physics上的“湍流對大腦動力學信息傳輸?shù)挠绊憽币晃闹小?/p>

【資料圖】

該論文的共同作者是Gustavo Deco(CBC-UPF)，Samuel Liebana Garcia(牛津大學)，Yonatan Sanz Perl(CBC-UPF)，Olaf Sporns(印第安納大學)和Morten L. Kringelbach(牛津大學)。

基于湍流的新型生物標志物

湍流作為人腦信息處理關(guān)鍵的新基本發(fā)現(xiàn)可用于構(gòu)建新的疾病生物標志物。湍流是大多數(shù)人主要與漩渦或飛機上的可怕經(jīng)歷聯(lián)系在一起的東西。

但首先，湍流是自然界中提供最佳混合特性的基本原理，允許能量和信息在空間和時間上有效傳輸。湍流已被證明是跨時空在許多尺度上級聯(lián)能量的最佳方式，因此是物理系統(tǒng)的基本組織原理。

這具有重要的實際意義，例如在烹飪時使用湍流攪拌要好得多，因為這有助于以最佳方式混合成分。同樣，湍流也被用來尋找更節(jié)能的方法來改善化工廠、飛機和風車。

局部亞穩(wěn)態(tài)的新測量量測量神經(jīng)元電通量在空間和時間尺度上的連續(xù)動態(tài)運動的變化。正如文章的主要作者和UPF的CBC研究員Gustavo Deco教授所解釋的那樣，這項新措施構(gòu)成了檢測神經(jīng)精神疾病或區(qū)分不同大腦狀態(tài)的新生物標志物：“在這項研究中，我們創(chuàng)造了一個新的視角來分析大腦動力學，這允許產(chǎn)生新的生物標志物，這些生物標志物在神經(jīng)精神病學中可能有用。

資深作者Morten L Kringelbach教授補充說：“這些結(jié)果為湍流以及更普遍的熱力學如何成為大腦生存和茁壯成長的關(guān)鍵原理提供了基本的新見解。

這種新測量單位的創(chuàng)建對于能夠比以前的研究更精確地研究信息和能量如何通過神經(jīng)湍流在大腦內(nèi)有效傳輸至關(guān)重要。以前，湍流是使用功能性MRI測量的，這是一種間接的，緩慢的神經(jīng)元活動測量，取決于血液中的氧合水平。

因此，fMRI不直接測量神經(jīng)元的電信號，并以延遲(或延遲)捕獲它們，這對應于血液對大腦信號做出反應所需的時間。

湍流首次在快速全腦動力學中得到證實

為了克服功能性MRI的局限性，研究人員使用腦磁圖(MEG)技術(shù)來分析整個大腦中的湍流。MEG直接測量神經(jīng)元在幾毫秒內(nèi)的電信號，因此可以立即捕獲它們，與fMRI的幾秒鐘相比，在幾毫秒內(nèi)捕獲大腦動力學的快速時間尺度。然而，MEG的空間精度只有5毫米左右。3沒有1mm那么高3由功能磁共振成像提供。

這種新的測量系統(tǒng)已被應用于89名健康人的皮質(zhì)區(qū)域的大腦活動。結(jié)果使用全腦建模來證明大腦湍流對于在空間和時間上在大腦內(nèi)有效傳輸信息和能量至關(guān)重要。

展望未來，研究人員計劃在皮層下測試這種新的基于湍流的生物標志物。這些包括對帕金森氏癥或亨廷頓氏癥等疾病很重要的大腦區(qū)域。雖然它們的影響也存在于皮層中，但檢查皮層下區(qū)域可以促進進一步的早期診斷，以及潛在的預防或治療。

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