神经维度、放电频率、脑温与脑大小的热力学约束

已有观点认为，脑代谢活动产生的热量可能约束了哺乳动物大脑的进化、结构和功能。本文研究了由Na$^{+}$/K$^{+}$-ATP酶、脑血流和热传导主导的热平衡热力学对脑布线及相应脑温变化的物理限制。研究发现，即使中等放电频率也会导致显著的细胞内Na$^{+}$积累，且泵出这些离子相关的ATP消耗率随频率非线性增长。令人惊讶的是，Na$^{+}$/K$^{+}$泵耗散功率对频率呈双相依赖，这也可导致脑温对频率的双相依赖。对于极细纤维直径，钠泵总功率和脑温均发散，表明过细的纤维不利于热平衡。对于极小的大脑，血流并非大脑深部的有效冷却机制。纤维直径的理论下限（高于此下限脑温处于工作区间）强烈依赖于频率，但由于突触抑制而有限。在正常神经生理条件下，该下限至少比经验纤维直径的平均值小一个数量级，表明哺乳动物大脑的神经解剖学处于热力学安全区间。所提出的解析公式可用于估计哺乳动物的平均放电频率，并将其变化与脑温变化相关联，这具有重要的实际应用价值。总体而言，较大大脑的活动比较小大脑的活动更慢。