導(dǎo)讀 在由UPF大腦與認(rèn)知中心(CBC)和牛津大學(xué)Eudaimonia和人類繁榮中心領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新的神經(jīng)科學(xué)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)證明直接用腦磁圖測(cè)量的...

在由UPF大腦與認(rèn)知中心(CBC)和牛津大學(xué)Eudaimonia和人類繁榮中心領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新的神經(jīng)科學(xué)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)證明直接用腦磁圖測(cè)量的快速神經(jīng)元大腦動(dòng)力學(xué)中的湍流，整個(gè)大腦的有效信息傳遞取決于湍流。

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

這是來(lái)自UPF，牛津大學(xué)和印第安納大學(xué)的CBC研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)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(duì)大腦動(dòng)力學(xué)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(xué))，Yonatan Sanz Perl(CBC-UPF)，Olaf Sporns(印第安納大學(xué))和Morten L. Kringelbach(牛津大學(xué))。

基于湍流的新型生物標(biāo)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(biāo)志物。湍流是大多數(shù)人主要與漩渦或飛機(jī)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(shí)間上有效傳輸。湍流已被證明是跨時(shí)空在許多尺度上級(jí)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(shí)際意義，例如在烹飪時(shí)使用湍流攪拌要好得多，因?yàn)檫@有助于以最佳方式混合成分。同樣，湍流也被用來(lái)尋找更節(jié)能的方法來(lái)改善化工廠、飛機(jī)和風(fēng)車。

局部亞穩(wěn)態(tài)的新測(cè)量量測(cè)量神經(jīng)元電通量在空間和時(shí)間尺度上的連續(xù)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)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(xiàng)新措施構(gòu)成了檢測(cè)神經(jīng)精神疾病或區(qū)分不同大腦狀態(tài)的新生物標(biāo)志物：“在這項(xiàng)研究中，我們創(chuàng)造了一個(gè)新的視角來(lái)分析大腦動(dòng)力學(xué)，這允許產(chǎn)生新的生物標(biāo)志物，這些生物標(biāo)志物在神經(jīng)精神病學(xué)中可能有用。

資深作者M(jìn)orten L Kringelbach教授補(bǔ)充說(shuō)：“這些結(jié)果為湍流以及更普遍的熱力學(xué)如何成為大腦生存和茁壯成長(zhǎng)的關(guān)鍵原理提供了基本的新見(jiàn)解。

這種新測(cè)量單位的創(chuàng)建對(duì)于能夠比以前的研究更精確地研究信息和能量如何通過(guò)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(cè)量的，這是一種間接的，緩慢的神經(jīng)元活動(dòng)測(cè)量，取決于血液中的氧合水平。

因此，fMRI不直接測(cè)量神經(jīng)元的電信號(hào)，并以延遲(或延遲)捕獲它們，這對(duì)應(yīng)于血液對(duì)大腦信號(hào)做出反應(yīng)所需的時(shí)間。

湍流首次在快速全腦動(dòng)力學(xué)中得到證實(shí)

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(lái)分析整個(gè)大腦中的湍流。MEG直接測(cè)量神經(jīng)元在幾毫秒內(nèi)的電信號(hào)，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(dòng)力學(xué)的快速時(shí)間尺度。然而，MEG的空間精度只有5毫米左右。3沒(méi)有1mm那么高3由功能磁共振成像提供。

這種新的測(cè)量系統(tǒng)已被應(yīng)用于89名健康人的皮質(zhì)區(qū)域的大腦活動(dòng)。結(jié)果使用全腦建模來(lái)證明大腦湍流對(duì)于在空間和時(shí)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(lái)，研究人員計(jì)劃在皮層下測(cè)試這種新的基于湍流的生物標(biāo)志物。這些包括對(duì)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(jìn)進(jìn)一步的早期診斷，以及潛在的預(yù)防或治療。

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