Technológie

Druhý zákon termodynamiky pomáha pri štúdiu mozgu

Albert Einstein vysvetlil nasledovne Životopisné poznámky 1949: „Teória je príťažlivejšia, jednoduchosť jej premis, rozmanitosť záležitostí, ktorých sa týka, a tým širšie pole jej použiteľnosti. Z toho vyplýva hlboký dojem, ktorý na mňa klasická termodynamika urobila. Verím, že jediná fyzikálna teória univerzálny obsah v rámci použiteľnosti jeho základných konceptov nebude nikdy zvrhnutý.“ Som si istý.

Princípy termodynamiky platia pre každý systém. Od pochopenia strojov, chemických reakcií, rozpínania vesmíru či čiernych dier až po štúdium stavov mozgu.

Výskumníci z UPF Computational Neuroscience Group V Centre pre mozog a poznanie (CBC), v spolupráci s univerzitami v Argentíne, Austrálii, Číne, Európe a Spojenom kráľovstve nedávno zverejnili štúdiu, ktorá ukazuje, ako im druhý zákon termodynamiky pomohol pochopiť a vyvinúť robustný biomarker na rozlíšenie stavov mozgu.

„Naša skupina dlhé roky skúmala, ako sa mení dynamika mozgu v rôznych štádiách, napríklad medzi spánkom a bdením a aktívnou kognitívnou funkciou alebo počas kómy alebo u pacientov trpiacich neurologickými ochoreniami,“ vysvetľuje Gustavo Deco. Riaditeľ skupiny a ICREA Výskumník. „Mozog funguje ako orchester, s dirigentom a vedúcimi sekcií (husle, dychy, sláčiky atď.) a v závislosti od našej pozície sa tieto hierarchie menia a menia, a to je základná myšlienka, keď rozlišujeme veci. systém je jedna alebo viac zón prevezmú štafetu a vedú ostatné zóny.

Túto zmenu možno merať meraním toho, ako fungujú pre každý stav mozgu. V štúdii publikovanej v časopise Komunikačná biológiaVýskumníci merali túto hierarchiu, ale nielen meraním spojení medzi rôznymi časťami mozgu. fMRI (funkčné zobrazovanie magnetickou rezonanciou), ktoré nám umožňuje vidieť mozgovú aktivitu, no využíva trik založený na druhom termodynamickom zákone, ktorý hovorí, že systém sa postupom času pohybuje od regulovaného k náhodnému správaniu.

Toto zvýšenie množstva poruchy sa nazýva „entropia“. Ak sa entropia časom zvyšuje, znamená to, že systém nie je v rovnováhe a je časom ireverzibilný, čo znamená, že nemôžeme vedieť, v akej fáze sa nachádza. Naopak, ak sa entropia nezvýši alebo nenastane, potom je systém v rovnováhe a je v priebehu času reverzibilný.

Príkladom zvýšenia entropie môže byť video o rozbití skla v počítači, čo je nezvratné, a keď sa ocitneme pri pohľade na video dozadu alebo dopredu (napríklad pred alebo po rozbití skla. )

Naproti tomu systém, v ktorom sa entropia nezvyšuje, by inými slovami bol videom z biliardovej hry, v ktorej sa dve gule zrazia a odskočia. Prehrávanie videa dopredu alebo dozadu vykresľuje rovnaké obrázky, takže nedokážeme rozlíšiť, v ktorom bode sa nachádzame.

„Meraním vzťahu medzi rôznymi časťami mozgu je symetria narušená,“ vysvetľuje Deko. „Ak pohybujem sériou signálov tam a späť a porovnávam ich s obrázkami, dokážem povedať, o ktorý systém ide: reverzibilný nie je hierarchický. Nezvratný je „hierarchický“ systém.

Pomocou tejto logiky vedci zistili, že táto technika je dobrým biomarkerom mozgového vedomia. V experimentoch na ľuďoch údaje fMRI ukázali rozdiely medzi pokojovým a bdelým stavom a keď vykonávame kognitívne úlohy. „Keď robíme viac kognitívnych úloh,​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​ ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​ kvôli nedostatku vedomia máme menšiu nezvratnosť, to znamená, že systém je menej hierarchický.“, pokračuje Deko. „Toto je dobrý biomarker. pretože je veľmi citlivý a hovorí nám, že je za tým mechanizmus a veľmi dobre nám pomáha klasifikovať rôzne stavy mozgu, najmä tam, kde neexistuje jasný konsenzus, ako je kóma“.

Toto je veľmi praktická téma, pretože klasifikácia štátov pomáha definovať liečbu a očakávania pacienta. Prvým krokom je mať dobrý súbor biomarkerov, ktoré indikujú akýkoľvek typ neuropsychiatrického ochorenia, cerebrovaskulárnej príhody, srdcového infarktu a depresie. „Potom by sa mal modelovať a model in silico by sa mal použiť na testovanie všetkých porúch, ktoré sú jedinečné pre každého jednotlivca, aby sa určil najlepší postup pre každého pacienta. Tento typ prístupu má veľký translačný záujem, to znamená aplikovať výsledky tohto základného výskumu priemyslu“, uzatvára.

READ  BAE Systems: Slovensko podpísalo kontrakt v hodnote 1,37 miliardy dolárov na 152 CV90 v rámci medzivládnej zmluvy

Poznámka: Deco G, Sanz Perl Y, Bogaccio H, Tagliazucci E, Kringelbach ML. Rámec INSIDEOUT poskytuje presné podpisy rovnováhy vnútornej a vonkajšej dynamiky naprieč stavmi mozgu. Komunistická biológia. 2022; 5 (1): 1-13. doi: 10.1038/s42003-022-03505-7

Tento článok bol pretlačený z nasledujúceho materiálov. Poznámka: Materiál mohol byť upravený z hľadiska dĺžky a obsahu. Pre viac informácií kontaktujte prosím citovaný zdroj.

Related Articles

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *

Back to top button
Close
Close