Мозг нарушает детальное равновесие в больших масштабах
Функции, которые поддерживают жизнь — от обработки информации до создания сил и поддержания порядка — требуют, чтобы организмы нарушали детальный баланс (детальное равновесие). Для системы (считайте, неживой), которая подчиняется детальному балансу, потоки переходов между различными состояниями исчезают. Система перестает производить энтропию, и ее динамика становится обратимой во времени, то есть становится возможным так называемый «откат» наработок. Живые системы, напротив, демонстрируют чистые потоки между состояниями или конфигурациями, тем самым нарушая детальный баланс и устанавливая стрелку времени.
Критически важно, что такое нарушенное детальное равновесие приводит к производству энтропии, которая необходима им для выполнения молекулярных и клеточных функций, включая вычисления, кинетическую корректуру, зондирование, адаптацию и транспортировку. Но до сих пор оставалось неясным, обеспечивают ли макроскопические нарушения детального баланса биологические функции более высокого порядка, такие как познание и движение? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые адаптировали инструменты неравновесной статистической механики для количественной оценки нарушенного детального баланса в сложных живых системах, например, человеческом мозге, с помощью систем микроскопии и систем визуализации.
Анализируя нейронные записи сотен людей, ученые обнаружили, что человеческий мозг нарушает детальный баланс в больших масштабах — и эти нарушения усиливаются при физической и когнитивной нагрузке. Мозг почти подчиняется детальному балансу в состоянии покоя, но сильно нарушает детальный баланс при выполнении сложных задач. Например, в двигательной задаче, когда испытуемым предлагается выполнить определенные физические движения, производство энтропии в 20 раз больше, чем в динамике состояния покоя. Более того, на уровне отдельных людей обнаруживается, что производство энтропии еще больше увеличивается с ошибками в задачах, что еще раз указывает на то, что нарушения детального баланса усиливаются с увеличением когнитивного спроса.
Фактически, в то время как каждая когнитивная задача вызывает уникальный паттерн потоков между нейронными состояниями, эти потоки почти исчезают во время сканирования в состоянии покоя. Построенная динамическая модель Изинга наглядно продемонстрировала, что крупномасштабные нарушения детального баланса могут возникать из-за мелкомасштабной асимметрии во взаимодействиях между элементами, известной особенности нейронных систем.
В совокупности эти результаты свидетельствуют о том, что нарушения детального баланса жизненно важны для познания и обеспечивают общий инструмент для количественной оценки производства энтропии в макроскопических системах.
