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論文資訊
- 類型：已發表論文
- 日期：2022-09-02
摘要
長期以來，人們一直懷疑生命系統在熱力學平衡之外運行，消耗能量並在環境中產生熵以執行生物功能。最近在微觀尺度上的努力已經證實，非平衡過程對於分子和細胞操作至關重要2-8。然而，目前尚不清楚非平衡動力學是否在宏觀尺度上表現出來，如果是的話，這種動力學如何支持更高階的生物功能。在這裡，我們提出了一個透過量化宏觀系統中的熵產生來探索非平衡過程的框架。我們將我們的方法應用於人腦，這個器官的巨大代謝消耗驅動著多種認知功能9,10。使用全腦成像數據，我們證明大腦在大範圍內從根本上失去平衡。此外，我們發現，當大腦執行體力和認知要求較高的任務時，大腦會產生更多的熵——遠離平衡狀態。為了了解大腦在平衡不同距離的情況下如何運作，我們使用模擬來證明宏觀系統的非平衡性質是由微觀尺度相互作用的強度調節的。總之，這些結果表明非平衡動力學對於認知至關重要，並為量化宏觀系統的非平衡性質提供了通用工具。