Commun. Phys.：新方法！测量湍流现象促进大脑高效信息传递-杭州脑海科技有限公司

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湍流作为人类大脑信息处理关键的新发现，可以用于构建疾病的新生物标志物。大多数人首先将湍流与漩涡或飞机上的恐怖经历联系在一起。但首先，湍流是自然界中的一种基本原理，提供了最佳的混合特性，允许在空间和时间上高效传递能量和信息。湍流已被证明是在时空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则。这具有重要的实际意义，例如在烹饪过程中使用湍流搅拌更好，因为这有助于最佳混合原料。同样，湍流也被用于寻找提高化工厂、飞机和风车能效的方法。

2023年4月17日，牛津大学、庞培法布拉大学和印第安纳大学的研究人员在Communications Physics（IF=6.497）上发表了题为“The effect of turbulence in brain dynamics information transfer measured with magnetoencephalography”的文章，研究人员使用脑磁图（MEG）技术分析整个大脑的湍流，研究发现，整个大脑的高效信息传递依赖于湍流，通过脑磁图可以直接测量快速神经元脑动力学中的湍流现象。

新的局部稳定性测量方法测量的是神经元电通量在空间和时间尺度上的连续动态变化。这种新的测量方法构成了检测神经精神疾病或区分不同脑状态的新生物标志物，研究人员在该研究中，创造了一种新的分析脑动力学的视角，可以在神经精神病学中生成具有潜在应用价值的新生物标志物。

研究显示，创建这个新的测量单位对于更精确地研究大脑中信息和能量是如何通过神经湍流高效传输至关重要。此前，湍流是通过功能性磁共振成像（fMRI）测量的，这是一种间接、缓慢的神经元活动测量方法，取决于血液中的氧合水平。因此，fMRI并未直接测量神经元的电信号，而是在一定的延迟（或潜伏期）内捕捉它们，这与血液对大脑信号的反应时间相对应。

湍流的边缘亚稳态测量

耦合环形振荡器中湍流的经验测量的验证

脑磁图（MEG）直接测量神经元的电信号，毫秒级捕捉它们，与fMRI相比，捕捉大脑动力学的快速时间尺度。然而，MEG的空间精度有大约5立方毫米，而fMRI的空间精度为1立方毫米。

利用脑磁图(MEG)测量人类参与者的快速神经元全脑动力学中的湍流

这种新的测量系统已应用于89名健康人的大脑皮层区域的脑活动。研究结果使用整个大脑建模来证明大脑湍流在空间和时间上高效传输信息和能量方面至关重要。

展望未来，研究人员计划测试这种新的敏感的基于湍流的生物标志物在皮层下区域。这些区域包括对帕金森病或亨廷顿氏症等疾病非常重要的大脑区域。虽然它们的影响也在皮层中发现，但检查皮层下区域可能会进一步推动早期诊断以及潜在的预防或治疗。

通讯作者

MortenL. Kringelbach

参考文献

Deco, G., Liebana Garcia, S., Sanz Perl, Y.et al. The effect of turbulence in brain dynamics information transfer measured with magnetoencephalography. Commun Phys 6, 74 (2023). https://doi.org/10.1038/s42005-023-01192-2

资讯来源

https://medicalxpress.com/news/2023-05-turbulence-brain-inherent.html

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