人脑中的细致平衡破缺与熵产生

生命系统在小尺度上破缺细致平衡，消耗能量并在环境中产生熵，以执行分子与细胞功能。然而，破缺的细致平衡如何在宏观尺度上显现，以及此类动力学如何支撑更高阶的生物功能，仍不清楚。在此我们提出一个通过测量宏观系统熵产生来量化细致平衡破缺的框架。我们将该方法应用于人脑——一个其巨大代谢消耗驱动多种认知功能的器官。利用全脑成像数据，我们证明大脑在静息时近乎遵循细致平衡，但在执行身体与认知负荷任务时强烈破缺细致平衡。利用动态 Ising 模型，我们表明这些大尺度的细致平衡违背可源于要素间相互作用的精细尺度不对称性，此为神经系统的已知特征。综上，这些结果表明细致平衡的违背对认知至关重要，并为量化宏观系统的熵产生提供了通用工具。