[논문 리뷰] Non-equilibrium dynamics and entropy production in the human brain

Christopher W. Lynn, Eli J. Cornblath외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 05.

Neural dynamics and brain function인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 거시적 시스템에서 엔트로피 생성을 정량화하는 프레임워크를 제안하며, 전체 뇌 영상 데이터에 적용하여 인간 뇌가 특히 인지적으로 요구가 높은 과제 기간에 열역학적 평형에서 멀리 떨어져 있음을 보여준다. 이 방법은 비평형 동역학—미세 구조 상호작용 비대칭성에 의해 유도되는 것—이 고도의 뇌 기능의 기초가 되며, 엔트로피 생성이 인지 활동의 핵심적 지표임을 규명한다.

ABSTRACT

Living systems operate out of thermodynamic equilibrium at small scales, consuming energy and producing entropy in the environment in order to perform molecular and cellular functions. However, it remains unclear whether non-equilibrium dynamics manifest at macroscopic scales, and if so, how such dynamics support higher-order biological functions. Here we present a framework to probe for non-equilibrium dynamics by quantifying entropy production in macroscopic systems. We apply our method to the human brain, an organ whose immense metabolic consumption drives a diverse range of cognitive functions. Using whole-brain imaging data, we demonstrate that the brain fundamentally operates out of equilibrium at large scales. Moreover, we find that the brain produces more entropy -- operating further from equilibrium -- when performing physically and cognitively demanding tasks. By simulating an Ising model, we show that macroscopic non-equilibrium dynamics can arise from asymmetries in the interactions at the microscale. Together, these results suggest that non-equilibrium dynamics are vital for cognition, and provide a general tool for quantifying the non-equilibrium nature of macroscopic systems.

연구 동기 및 목표

• 생물 시스템에서 거시적 척도에서 비평형 열역학적 동역학이 나타나는지 확인하는 것.
• 실험 데이터를 사용하여 거대 체계에서 엔트로피 생성을 정량화할 수 있는 일반화 가능한 방법을 개발하는 것.
• 인간 뇌에서 고차원 인지 기능을 뒷받침하는 비평형 동역학의 역할을 조사하는 것.
• 미세 구조 상호작용 비대칭성의 관점에서 거시적 비평형 행동의 기원을 탐구하는 것.

제안 방법

• 프레임워크는 전체 뇌 영상에서 확보한 시간 시리즈 데이터를 사용하여 거시적 시스템의 엔트로피 생성을 정량화하며, 신경 활동을 확률적 과정으로 모델링한다.
• 엔트로피 생성은 시스템 상태 공간 내 전진 및 시간 역행 전이 확률 간의 클로즈비-라이블러 발산을 통해 계산된다.
• 비대칭 상호작용을 가진 시뮬레이션된 이징 모델을 사용하여 거시적 비평형 행동의 발생을 검증함으로써, 미세 구조 비대칭성의 역할을 입증한다.
• 다양한 과제 조건 하에서 인간 피실험자의 전체 뇌 기능적 MRI 데이터를 분석하여 엔트로피 생성 수준을 비교한다.
• 통계역학과 뇌영상 데이터를 통합하여 미세 구조 상호작용 비대칭성과 거시적 열역학적 행동 간의 관계를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인간 뇌는 거시적 척도에서 비평형 동역학을 나타내는가?
• RQ2 인지적 및 신체적 과제 요구가 높아질수록 뇌의 엔트로피 생성은 어떻게 변하는가?
• RQ3 비대칭적인 미세 구조 상호작용으로부터 거시적 비평형 동역학이 나타날 수 있는가?
• RQ4 뇌에서 열역학적 비가역성과 인지 기능 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 전체 뇌 영상 데이터에서 뚜렷한 엔트로피 생성이 관찰되어 인간 뇌가 거시적 척도에서 본질적으로 열역학적 평형에서 벗어나 있음을 입증한다.
• 신체적·인지적으로 요구가 높은 과제 기간 동안 엔트로피 생성이 증가하여 비평형 활동 수준이 높아짐을 시사한다.
• 비대칭 상호작용을 가진 이징 모델의 시뮬레이션은 거시적 비평형 동역학을 재현하며, 미세 구조 비대칭성의 기여를 뒷받침한다.
• 프레임워크는 실험 데이터에서 비평형 행동을 성공적으로 탐지하여 복잡한 시스템 연구에 실용성을 입증한다.