一用腦，大腦就不“平衡”了？

劉愷

生命與熵

為什么熱量總是從較熱的物體傳遞到較冷的物體？為什么凋落的樹葉不會重回枝頭，枯萎的花瓣不會重新綻放？

自然界中宏觀事物的發展過程都有一個優先的方向，遵循的規律便是熱力學第二定律，也稱“熵（shāng）增加原理”。可以簡單地理解為，事物總是向無序的方向（或者說充滿更多可能性的狀態）發展，而這種無序的程度（或者說不確定性）即為“熵”。

“熵”是一個非常奇妙的抽象概念，由德國物理學家克勞修斯于1865年提出，最初是用來描述“能量退化”的物質狀態參數之一。根據熵增加原理，孤立系統的熵永不自動減少，熵在可逆（平衡）過程中不變，在不可逆過程中增加。

人的生命也如此，從物理層面的運動到精神層面的思考，都會消耗能量并產生熵，打破原有的平衡。生命過程不可逆，因此熵在生命過程中始終增加，當生命結束時，人這個有機體達到了熵的最大值，不再增加。正如奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤創作的生物學著作《什么是生命》一書中提到的，“生命以負熵為生”，最終的平衡就是死亡，因此維持生存的前提是盡可能地遠離平衡。

在人體中，大腦是打破平衡狀態的主要驅動力，其重量僅占體重的2%，但是消耗的能量卻達到了整體消耗的20～30%，大腦“貪吃”葡萄糖的習慣使其成為全身耗能最大的器官。那么，這么多的能量最終都去了哪里呢？

大腦平衡被打破

利用功能性核磁共振成像（fMRI）技術，研究人員可以觀測到大腦對應不同認知功能的區域消耗的氧氣量，從而計算出大腦不同時間、不同位置的能量消耗情況。

人類的大腦實在是非常精妙，復雜的認知活動需要多個腦區之間協同合作，在這個過程中，我們需要將大腦看成一個復雜系統，對它進行全局性的研究。

當大腦處于休息狀態時，各個腦區處于不同狀態且不斷轉換，但各個狀態之間的轉換是隨機、可逆的。我們認為這是一種“細致平衡（detailed balance）”狀態。

而當大腦處于思考狀態時，各個腦區在不同狀態間的轉換存在方向性，這被稱為“細致平衡破缺（broken detailed balance）”。也就是說，在思考的過程中，神經活動的細致平衡被打破了，這時表示混亂程度的熵也增加了，協調的意識活動從此產生。

熱力學第二定律示意圖

思考越高級

熵產生得越多

研究人員發現，各種類型的認知活動會呈現出不同程度的細致平衡破缺，說明這一現象在大腦功能中發揮著普遍且基礎的作用。

在體力勞動的過程中，運動響應的頻率越高，大腦活動產生的熵越多；而在腦力勞動的過程中，認知努力越多越頻繁，大腦活動產生的熵也越多。

在情緒處理、工作記憶、社會推理、語言處理、關系匹配、風險決策、運動執行等7類呈現了不同認知過程的大腦活動任務中，運動執行和風險決策對應的熵產生最明顯，而語言處理、情緒處理等活動中的熵產生較少。也就是說，進行越高級、越復雜的認知活動，產生的熵越多，大腦的狀態越遠離細致平衡。

知識拓展? “貪吃”的大腦

這時你或許會覺得，是啊，大腦每天要思考那么多事情、學習那么多知識、做出那么多決定，肯定會有很多消耗呀。而你大概沒有想到，這20%其實是大腦靜息狀態的耗能——即使什么都不想，神經元（神經系統最基本的結構和功能單位）在休息時也會消耗如此多的能量，又被稱作大腦的“暗能量”。若是再進行一番“深思熟慮”，那消耗的能量還要再多5～10%。

童年時期的大腦甚至更加“貪吃”，對氧的需求量較成年人更大。研究顯示，五六歲兒童的大腦消耗的能量可以占到全身的50～60%。

此外，即便大腦處于極度不活躍的狀態（例如昏迷），其葡萄糖消耗量也只下降到了正常水平的一半，與其他器官相比仍是高耗能的。

知識拓展? 熱力學三大定律

神經元結構示意圖

熱力學第一定律，指的是物體內能的增加等于物體吸收的熱量和對物體所作的功的總和。其本質與能量守恒定律等同，即能量既不能憑空產生，也不能憑空消滅，只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而能量的總量不變。

熱力學第二定律，有幾種常用的表述方式。德國物理學家克勞修斯將其表述為：熱量不能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。英國物理學家威廉·湯姆遜（開爾文勛爵）和德國物理學家馬克斯·普朗克將其表述為：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。熵增加原理表述為：孤立系統的熵永不自動減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加。

挖掘大腦的潛能

細致平衡破缺不僅出現在人類大腦神經活動中，還普遍存在于自然界各種復雜系統中，對于生態學中種群規模的變化、信息或疾病在人群中的傳播等也同樣有著應用的空間。

思考級別與熵產生關系示意圖

熱傳遞和熱力學第一定律示意圖

研究表明，學習效率受到神經網絡總熵的限制，神經元學習越慢，產生的熱量和熵越少，學習效率越高。而根據赫布理論（描述了突觸可塑性的基本原理），對神經元的重復刺激使得神經元之間的突觸強度增加，細胞在某些模式下激活得更好，由此產生的想法會在我們的大腦中更加強化。

這對于我們而言意味著什么呢？利用這一點可以讓我們在未來學得更好或更聰明嗎？結合這一科學與自己用腦學習時的情況想一想，觀察一下，文章中說的與自己的情況是不是一樣？或許我們現在就能夠從中獲得挖掘自己的大腦潛能的啟發和線索：學習最好的方法就是不斷地重復，隨著慢慢雕琢、反復練習的過程強化，“欲速則不達”的道理在這里也有了很好的體現，“慢工出細活”反而指向學習效率更高的結果。

想要真正解鎖大腦蘊藏的玄機還有很長的路要走，就現階段人類對自身大腦的研究和認識并沒有給出明確的解決答案，但是給出了新的思路和視角：我們大腦的活動是由熵控制的，在神經元層面上，學習過程與神秘而迷人的宇宙一樣，最終也要受到熱力學定律的限制。