在由UPF大脑与认知中心(CBC)和牛津大学Eudaimonia和人类繁荣中心领导的一项新的神经科学研究中，研究人员发现，通过证明直接用脑磁图测量的快速神经元大脑动力学中的湍流，整个大脑的有效信息传递取决于湍流。

湍流最初由达芬奇在500多年前创造“涡轮伦萨”，已被证明在自然界中无处不在，作为一种重要的动力机制，促进了跨时空尺度的能量和有效信息传输。

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这是来自UPF，牛津大学和印第安纳大学的CBC研究人员进行的一项研究的结果，其结果发表在最近发表在Communications Physics上的“湍流对大脑动力学信息传输的影响”一文中。

该论文的共同作者是Gustavo Deco(CBC-UPF)，Samuel Liebana Garcia(牛津大学)，Yonatan Sanz Perl(CBC-UPF)，Olaf Sporns(印第安纳大学)和Morten L. Kringelbach(牛津大学)。

基于湍流的新型生物标志物

湍流作为人脑信息处理关键的新基本发现可用于构建新的疾病生物标志物。湍流是大多数人主要与漩涡或飞机上的可怕经历联系在一起的东西。

但首先，湍流是自然界中提供最佳混合特性的基本原理，允许能量和信息在空间和时间上有效传输。湍流已被证明是跨时空在许多尺度上级联能量的最佳方式，因此是物理系统的基本组织原理。

这具有重要的实际意义，例如在烹饪时使用湍流搅拌要好得多，因为这有助于以最佳方式混合成分。同样，湍流也被用来寻找更节能的方法来改善化工厂、飞机和风车。

局部亚稳态的新测量量测量神经元电通量在空间和时间尺度上的连续动态运动的变化。正如文章的主要作者和UPF的CBC研究员Gustavo Deco教授所解释的那样，这项新措施构成了检测神经精神疾病或区分不同大脑状态的新生物标志物：“在这项研究中，我们创造了一个新的视角来分析大脑动力学，这允许产生新的生物标志物，这些生物标志物在神经精神病学中可能有用。

资深作者Morten L Kringelbach教授补充说：“这些结果为湍流以及更普遍的热力学如何成为大脑生存和茁壮成长的关键原理提供了基本的新见解。

这种新测量单位的创建对于能够比以前的研究更精确地研究信息和能量如何通过神经湍流在大脑内有效传输至关重要。以前，湍流是使用功能性MRI测量的，这是一种间接的，缓慢的神经元活动测量，取决于血液中的氧合水平。

因此，fMRI不直接测量神经元的电信号，并以延迟(或延迟)捕获它们，这对应于血液对大脑信号做出反应所需的时间。

湍流首次在快速全脑动力学中得到证实

为了克服功能性MRI的局限性，研究人员使用脑磁图(MEG)技术来分析整个大脑中的湍流。MEG直接测量神经元在几毫秒内的电信号，因此可以立即捕获它们，与fMRI的几秒钟相比，在几毫秒内捕获大脑动力学的快速时间尺度。然而，MEG的空间精度只有5毫米左右。3没有1mm那么高3由功能磁共振成像提供。

这种新的测量系统已被应用于89名健康人的皮质区域的大脑活动。结果使用全脑建模来证明大脑湍流对于在空间和时间上在大脑内有效传输信息和能量至关重要。

展望未来，研究人员计划在皮层下测试这种新的基于湍流的生物标志物。这些包括对帕金森氏症或亨廷顿氏症等疾病很重要的大脑区域。虽然它们的影响也存在于皮层中，但检查皮层下区域可以促进进一步的早期诊断，以及潜在的预防或治疗。