Главная  Информация для покупателей  Новости науки  Мозг нарушает детальное равновесие в больших масштабах

Мозг нарушает детальное равновесие в больших масштабах

06 декабря 2021


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.

NDNNDDDN_1000

Другая информация
27 января 2022
Как производственные сети усиливают экономический рост стран

Экономику можно рассматривать как сеть, в которой производители покупают товары, превращают их в новые товары и продают продукцию домашним хозяйствам или другим производителям.

24 января 2022
Исследован геологический контроль элементного состава фитопланктона

Элементный состав морского фитопланктона отражает их качество как источника пищи и регулирует поток углерода, кислорода и питательных веществ между океаном, атмосферой и скальными резервуарами.

20 января 2022
Самосборка фотонных кристаллов идет путем контроля зарождения и роста коллоидов, покрытых ДНК

Ученые стали на шаг ближе к созданию оптических метаматериалов следующего поколения из коллоидных кристаллов.

17 января 2022
Ученые провели новую оценку содержания галогенов в объемной силикатной земле

Точное понимание содержания галогенов в силикатных резервуарах Земли может помочь восстановить историю взаимодействий между мантией, атмосферой и океанами нашей планеты.

13 января 2022
Временные изменения планетарного железа являются движущей силой эволюции

Изменение доступности железа в планетарном масштабе, вызванное потенциально быстрым изменением климата, создаст давление отбора на хозяев и патогенные микроорганизмы во всей биосфере.

Вся информация


Сайт использует файлы cookies. Продолжая просматривать сайт Вы соглашаетесь с использованием cookies. Хорошо!