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在由UPF大腦與認知中心(CBC)和牛津大學Eudaimonia和人類繁榮中心領導的一項新的神經科學研究中，研究人員發現，通過證明直接用腦磁圖測量的快速神經元大腦動力學中的湍流，整個大腦的有效信息傳遞取決于湍流。

湍流最初由達芬奇在500多年前創造“渦輪倫薩”，已被證明在自然界中無處不在，作為一種重要的動力機制，促進了跨時空尺度的能量和有效信息傳輸。

這是來自UPF，牛津大學和印第安納大學的CBC研究人員進行的一項研究的結果，其結果發表在最近發表在Communications Physics上的“湍流對大腦動力學信息傳輸的影響”一文中。

【資料圖】

該論文的共同作者是Gustavo Deco(CBC-UPF)，Samuel Liebana Garcia(牛津大學)，Yonatan Sanz Perl(CBC-UPF)，Olaf Sporns(印第安納大學)和Morten L. Kringelbach(牛津大學)。

基于湍流的新型生物標志物

湍流作為人腦信息處理關鍵的新基本發現可用于構建新的疾病生物標志物。湍流是大多數人主要與漩渦或飛機上的可怕經歷聯系在一起的東西。

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間上有效傳輸。湍流已被證明是跨時空在許多尺度上級聯能量的最佳方式，因此是物理系統的基本組織原理。

這具有重要的實際意義，例如在烹飪時使用湍流攪拌要好得多，因為這有助于以最佳方式混合成分。同樣，湍流也被用來尋找更節能的方法來改善化工廠、飛機和風車。

局部亞穩態的新測量量測量神經元電通量在空間和時間尺度上的連續動態運動的變化。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，這項新措施構成了檢測神經精神疾病或區分不同大腦狀態的新生物標志物：“在這項研究中，我們創造了一個新的視角來分析大腦動力學，這允許產生新的生物標志物，這些生物標志物在神經精神病學中可能有用。

資深作者Morten L Kringelbach教授補充說：“這些結果為湍流以及更普遍的熱力學如何成為大腦生存和茁壯成長的關鍵原理提供了基本的新見解。

這種新測量單位的創建對于能夠比以前的研究更精確地研究信息和能量如何通過神經湍流在大腦內有效傳輸至關重要。以前，湍流是使用功能性MRI測量的，這是一種間接的，緩慢的神經元活動測量，取決于血液中的氧合水平。

因此，fMRI不直接測量神經元的電信號，并以延遲(或延遲)捕獲它們，這對應于血液對大腦信號做出反應所需的時間。

湍流首次在快速全腦動力學中得到證實

為了克服功能性MRI的局限性，研究人員使用腦磁圖(MEG)技術來分析整個大腦中的湍流。MEG直接測量神經元在幾毫秒內的電信號，因此可以立即捕獲它們，與fMRI的幾秒鐘相比，在幾毫秒內捕獲大腦動力學的快速時間尺度。然而，MEG的空間精度只有5毫米左右。3沒有1mm那么高3由功能磁共振成像提供。

這種新的測量系統已被應用于89名健康人的皮質區域的大腦活動。結果使用全腦建模來證明大腦湍流對于在空間和時間上在大腦內有效傳輸信息和能量至關重要。

展望未來，研究人員計劃在皮層下測試這種新的基于湍流的生物標志物。這些包括對帕金森氏癥或亨廷頓氏癥等疾病很重要的大腦區域。雖然它們的影響也存在于皮層中，但檢查皮層下區域可以促進進一步的早期診斷，以及潛在的預防或治療。

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