意识是大脑最神秘的谜团之一。西班牙和美国科学家受热力学启发了一种新理论，从高层次揭发大脑中的神经网络如何瞬时组织以产生记忆，思想和意识。
产生意识的关键是能量的潮起潮落：当神经元功能性地结合在一起以支持信息处理时，它们的活动模式似如海浪一样同步。这个过程不仅来与神经生物学，而同样受热力学原理的指导。就像一双看不见的手，热力学促进神经元建立有助于意识的神经联系。此过程的中断破坏神经网络之间的通信从而引起神经系统疾病，例如癫痫，自闭症或精神分裂症。
研究作者Jose L Perez Velazquez 博士说，热力学原理例如能量梯度，耗散和平衡可以让我们开始理解或解释“思想和意识如何产生” 以及为何朝病理状态偏离。Perez Velazquez 隶属于新泽西州蒙特克莱尔的罗宁学院。
此项研究由旧金山区域脑机接口初创公司Novela Neurotech资助，发表在Frontiers in Neuroscience 杂志《关于大脑组织的简单总则》。
能态作为大脑组织的指导原则
长期以来，科学家一直认为意识是由于神经元之间广泛存在的协调活动引起的。其中一种框架，即“Global Workplace Theory”，假设某些大脑区域可以帮助其他区域跨时空整合信息，从而产生大脑的“工作区域”用于各种过程（例如记忆，注意力和语言）。另一个理论是“ Integrated Information Theory”，认为意识是大脑高度相互连接的结果，并且其程度可以量化。
尽管科学家进行了数十年的研究，这些理论并未直接解决更棘手的问题：指导这些联系的原理以便产生意识是什么？目前越来越多的工作争取判断智能机器是否有意识，因此追求意识的生物学原理非常重要。
这篇文章结合了经典物理学中的热力学定律和现代神经科学，描绘了大脑内自由能的变化如何帮助神经元暂时同步而产生意识。
在有意状态下，大脑必须主动整合和隔离来自不同感官的信息，因此比无意识时消耗更多的能量。利用不同大脑“宏观状态”，例如清醒，睡眠，昏迷和癫痫发作期间人类参与者的神经记录，研究小组发现，意识状态下的熵高于无意识状态下的熵。熵作为一个概念用许多特定的方式来解释和衡量。此处，“熵“与同步或“连接”的大脑网络的配置数量相关。
Perez Velazquez及其同事说：“随着更多神经元的连接，自由能被消散了。”热力学模型表明，大脑健康，有意识状态下有更大的能量消散。
但是，研究人员说意识不只由大脑中自由能量度决定。
每个宏观状态由多个可配置的微状态组成。在形成意识思维的过程中，大脑具有最佳数量相连的神经网络，并具有更多的微状态来支持认知。相比之下，在癫痫等无意识状态下，大脑形成过多相互连接的神经网络，从而导致较少的微状态。因此癫痫状态下，大脑熵降低自由能升高，导致出现神经故障。
研究人员说：“保持健康的大脑状态并不只是大脑中能量的总量，而在于能量的组织方式。”
大脑组织的统一原理
利用能量梯度和耗散来观察大脑的组织可以形成一个研究意识重要原理。利用此原理，科学家可以区别将健康有意识的大脑状态与无意识的大脑状态。因此，研究小组认为，他们的方法可用于进一步阐明意识丧失（例如某些癫痫发作）时大脑的神经生物学。
利用该原理，研究小组对正常的大脑活动如何转变为异常状态提供了解释。当神经元过度活跃时，这会导致同步性高于正常水平，例如持续时间太长或到达大脑的广泛区域。换句话说，大脑会处于过于稳定的状态。此结果是大脑的熵降低，因而大脑可以形成可辨活动模式的能力降低。也就是说，它具有更少的微状态，导致更少的交互神经网络配置，而剥夺大脑快速，灵活适应外界的能力。在某些情况下，意识也会崩溃。
该小组已经描述了各种实研究以检验该理论。阿根廷教授 Diego M. Mateos 和法国教授 Ramon Guevara Erra 也为这项工作做出了贡献。
这项工作是由Novela Neurotech资助的一个项目。Novela Neurotech针对脑机接口的研究和发展，总部位于加利福硅谷，致力于解决癫痫症，并有意揭示意识的神经生物学机制。目前Novela的合作者包括加州大学旧金山分校。
Novela Neurotech首席执行官Ray Iskander说：“ Novela致力与神经科学研究团体合作，阐明意识之谜。如果要成功管理和治愈神经精神疾病，我们必须揭露大脑的工作原理。”
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关于Novela
位于加利福尼亚州硅谷的Novela Neurotech公司一直在脑机接口研究的前沿。 Novela从加拿大Waterloo大学分离出来，有十二年的研究基础，并且正在开发一个全脑刺激平台”Neureka“。该平台包括硬件（崭新双规模电探针）和人工智能指导的软件分析套件，以帮助科学家研究新型神经调节。此外，Novelia正在与加州大学旧金山分校（UCSF）的脑波记录和刺激专家Loren Frank博士合作，标准化大脑电数据，并通过促进全球神经科学合作以加速治疗发现过程。Novela有意和中国神经科学家建立脑机接口研究合作。
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Frontiers in Neuroscience