當(dāng)前位置: 首頁 ? 資訊 ? 科普博覽 ? 科技博覽 ? 正文

科普 | 大腦中的熱力學(xué)

發(fā)布日期:2023-02-02??來源:知識就是力量??作者:劉愷??瀏覽次數(shù):2409
放大字體??縮小字體
核心提示:大腦與熵為什么熱量總是從較熱的物體傳遞到較冷的物體?為什么凋落的樹葉不會重回枝頭,枯萎的花朵不會重新綻放?自然界中宏觀事物的發(fā)展過程都有一個優(yōu)先的方向,遵循的規(guī)律便是熱力學(xué)第二定律,也稱“熵增加原理”,它指的是在一個孤立系統(tǒng)里,如果沒有外力做功,其無序的程度(即熵)會不斷增大。人的生命也如此,從物理層面的運動到精神層面的思考,都會消耗
大腦與熵

為什么熱量總是從較熱的物體傳遞到較冷的物體?為什么凋落的樹葉不會重回枝頭,枯萎的花朵不會重新綻放?

自然界中宏觀事物的發(fā)展過程都有一個優(yōu)先的方向,遵循的規(guī)律便是熱力學(xué)第二定律,也稱“熵增加原理”,它指的是在一個孤立系統(tǒng)里,如果沒有外力做功,其無序的程度(即熵)會不斷增大。

人的生命也如此,從物理層面的運動到精神層面的思考,都會消耗能量并產(chǎn)生熵,打破原有的平衡。我們的大腦也是如此,當(dāng)我們思考時,大腦會消耗能量,產(chǎn)生熵。

熱力學(xué)第二定律,有幾種常用的表述方式。德國物理學(xué)家克勞修斯將其表述為:熱量不能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。英國物理學(xué)家威廉·湯姆遜(開爾文勛爵)和德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克將其表述為:不可能從單一熱源吸取熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響。熵增加原理表述為:孤立系統(tǒng)的熵永不自動減少,熵在可逆過程中不變,在不可逆過程中增加。

思考越高級熵越多

人類的大腦每天需要接收、記憶各種信息,學(xué)習(xí)、理解各種知識,分類、處理各樣事務(wù)。這意味著大腦的熵在不斷增加,若不及時優(yōu)化、排序,大腦就會越來越無序。

研究人員利用功能性核磁共振成像(fMRI)技術(shù),觀測到大腦不同認知功能的區(qū)域消耗的氧氣量,從而計算出大腦不同時間、不同位置的能量消耗情況,并通過模型,計算出其產(chǎn)生的熵。

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)大腦處于休息狀態(tài)時,各個腦區(qū)處于不同狀態(tài)且不斷轉(zhuǎn)換,但各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是隨機、可逆的。我們認為這是一種“細致平衡(detailed balance)”狀態(tài)。

而當(dāng)大腦處于思考狀態(tài)時,各個腦區(qū)在不同狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換存在方向性,這被稱為“細致平衡破缺(broken detailed balance)”。也就是說,在思考的過程中,神經(jīng)活動的“細致平衡”被打破了,這時表示混亂程度的熵也增加了。

研究人員發(fā)現(xiàn),在情緒處理、工作、社交、語言、理性思考、風(fēng)險決策、運動執(zhí)行等7種不同類型的大腦認知活動中,運動執(zhí)行和風(fēng)險決策等活動中的熵產(chǎn)生最明顯,而語言、情緒處理等活動中的熵產(chǎn)生較少。也就是說,進行越高級、越復(fù)雜的認知活動,大腦產(chǎn)生的熵越多。

挖掘大腦的潛能

結(jié)合這一科學(xué)研究與自己用腦學(xué)習(xí)時的情況想一想、觀察一下,前文中說的與自己的情況是不是一樣?利用這項研究可以讓我們在未來學(xué)得更好或變得更聰明嗎?我們又要如何對抗大腦熵的增加呢?

研究表明,當(dāng)學(xué)習(xí)的速度慢下來時,神經(jīng)元中熵的增加會減緩,從而使我們的學(xué)習(xí)效率不降反升。

對于每個人來說,大腦是我們身體的總指揮部,對抗大腦熵增加的方法就是科學(xué)用腦,不斷挖掘大腦的潛能。例如,在學(xué)習(xí)方面,可以不斷地重復(fù)、慢慢雕琢、反復(fù)練習(xí),要知道“欲速則不達”“慢工出細活”反而學(xué)習(xí)效率更高?;蛘呷タ匆粓鲭娪?、讀一本書、與朋友進行一次暢談,從中探索到新鮮的信息、知識或智慧,為大腦“減熵”。

人類對自身大腦的認知與探索神秘而迷人的宇宙一樣,充滿未知卻又其樂無窮。想要真正解鎖人類大腦蘊藏的玄機還有很長的路要走,但相信總有一天,人們能解開大腦的終極奧秘!

知識鏈接

用生活中的例子幫你理解“熵”

整潔的桌面,如果我們不隨時整理、清潔,使用一段時間后,會變得雜亂無章。桌面的混亂程度,就是熵。若我們一直不整理(即沒有外力做功),桌面就會越來越亂(即熵會不斷增大)。

再比如,我們買來的新電腦,運行速度通常會很快,但是如果我們長期不清理垃圾文件,它就會變得越來越卡頓,也就是熵在不斷增大。

“貪吃”的大腦

在人體中,大腦的重量僅占體重的2%,但是消耗的能量卻達到了整體消耗的20%~30%,大腦“貪吃”葡萄糖的習(xí)慣使其成為全身耗能最大的器官。

你或許會覺得,大腦每天要思考那么多事情、學(xué)習(xí)那么多知識、作出那么多決定,肯定會有很多消耗。而你大概沒有想到,這20%其實是大腦靜息狀態(tài)的耗能——即使什么都不想,神經(jīng)元(如上圖所示,它是神經(jīng)系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位)在休息時也會消耗如此多的能量,又被稱作大腦的“暗能量”。若是再進行一番“深思熟慮”,那消耗的能量還要再多5%~10%。

童年時期的大腦甚至更加“貪吃”,對氧的需求量較成年人更大。研究顯示,五六歲兒童的大腦消耗的能量可以占到全身的50%~60%。

此外,即便大腦處于極度不活躍的狀態(tài)(例如昏迷),其葡萄糖消耗量也只下降到了正常水平的一半,與其他器官相比仍是高耗能的。

(作者單位:同濟大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院)

責(zé)任編輯:胡惠雯

?
?
[ 資訊搜索 ]? [ 加入收藏 ]? [ 打印本文 ]? [ 違規(guī)舉報 ]? [ 關(guān)閉窗口 ]

免責(zé)聲明:
本網(wǎng)站部分內(nèi)容來源于合作媒體、企業(yè)機構(gòu)、網(wǎng)友提供和互聯(lián)網(wǎng)的公開資料等,僅供參考。本網(wǎng)站對站內(nèi)所有資訊的內(nèi)容、觀點保持中立,不對內(nèi)容的準(zhǔn)確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。如果有侵權(quán)等問題,請及時聯(lián)系我們,我們將在收到通知后第一時間妥善處理該部分內(nèi)容。



?
?

?
推薦圖文
推薦資訊
點擊排行
最新資訊
友情鏈接 >> 更多