大脑动力学对称性破缺与意识状态受损

关键词：时间对称性，意识状态，大脑动力学，非平衡态统计物理，熵产生，信息流动

论文题目：

The lack of temporal brain dynamics asymmetry as a signature of impaired consciousness states

论文地址：

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2022.0086

大脑动力学是研究大脑活动如何随时间变化的研究领域。其主要研究方法包括使用各种神经影像技术（如功能磁共振成像fMRI）来记录和分析大脑活动的时间序列。大脑动力学的主要研究问题包括大脑活动的非平衡性、时间对称性、以及这些特性如何与意识状态（如清醒、睡眠、麻醉状态等）相关联。其中意识问题，一般认为涉及到大脑中数以亿计的神经元以及它们之间的复杂相互作用，是最为典型和重要的涌现现象之一。

在大脑动力学研究中，对称性和对称性破缺是关键的概念。在物理学中，对称性是指一个系统在某种变换（如旋转、平移等）下保持不变的性质，而对称性破缺则是指在某些条件下，这种对称性被破坏。在大脑动力学中，对称性通常指的是大脑活动的时间对称性，即大脑活动的时间序列在时间反演下是否保持不变。对称性破缺则意味着大脑活动的时间序列在时间反演下会发生变化，这通常被认为是大脑活动远离平衡状态的标志。

此前的研究中，研究人员已经能够更好地理解和诊断各种意识障碍，如昏迷、植物人状态和最小意识状态。并且发现大脑动力学的对称性在健康人和意识障碍患者之间存在一定差异。怎样量化其差异、并应用于意识障碍诊断治疗，成为新的问题。

在这篇论文中，作者研究了大脑动力学的时间对称性和对称性破缺，以及这些特性如何与意识状态相关联。他们发现，大脑活动的时间对称性在不同的意识状态下有显著的差异。大脑动力学的时间对称性破缺可以作为意识受损状态的标志。

具体来说，当意识状态降低（如在睡眠或麻醉状态下），大脑活动的时间对称性增加，即大脑活动更接近于平衡状态；而在清醒状态下，大脑活动的时间对称性减少，即大脑活动更远离平衡状态。这些发现为理解大脑活动的动态性质，以及这些动态性质如何影响我们的意识状态提供了新的视角。

论文引用了薛定谔的观点，将“生存”定义为为规避衰变和平衡的过程。对于生物体，解释衰变从我们的细胞的新陈代谢过程开始。这种对热力学平衡的持续违反是尺度依赖的。与非生命物质不同，生物活动背后不仅有源于外部的力量，还有内源性动机，以及中观尺度的机械力推动。

时间可逆性与热力学平衡之间关系密切。一个系统呈现非平衡状态——细致平衡被打破——在底层状态之间展示出净熵流，从而变得不可逆，建立了时间的箭头。在物理学中，这个时间的箭头基于一种不对称性，为给定的宏观系统的时间演变设定了一个优选的方向（即向更高的熵状态方向）。相关研究表明，大脑动力学偏离了热力学平衡，大脑状态形成了一个配置空间，不同状态之间的转换概率是不对称的。状态转换过程中有熵的产生，因此产生的神经活动在时间上是不可逆的。

作者提出，可逆性分析可以用作量化意识水平差异。尽管目前的许多理论都有其合理性，甚至可能是在不同的时间和空间尺度上分布的理论的集合。但作者确信，可逆性框架以及熵产生分析正在激励神经科学领域，并预测在这个统计物理的分支下会有新的发现。

此外，作者也提出了一些未来的研究方向。例如，应该包括同时分析内源性和刺激诱发的大脑活动的时间对称性，以表征刺激的传播并揭示潜在的意识障碍机制。另一个可能的方向是，将现有的框架与另外的湍流全脑模型相集成，以理解大脑动力学如何在热力学第二定律指引下工作。最终，如果我们能够在意识障碍的患者中检测到基于所提出方法的共同特征，就可以构建一个支持向量机分类器，并通过包含从进展到有利状态的患者的神经影像的元信息来进一步改进它。进而，学界可以使用所有关于可逆性的信息，并将其与其他生理测量结合，生成一组生物标志物，作为诊断和预测工具，帮助医生的临床实践，并改善意识障碍患者的生活。