物理场的熵及其自发减小现象

在科学发展史上某些人们创立的概念的含义一再扩大,这显示了这些概念在描叙物质世界中有着重要意义.质量和能量这两个概念就属这种事例.霍顿(G.Holton)说“某些概念之所以重要是由于它们反复出现在许多描叙和定律中,而且往往波及离最初表述很远的领域内”.这一段论述完全符合熵这个极为重要的概念在一百多年中的发展史.在热力学中,人们用熵测度微观的分子运动的混乱(无序)程度.在信息论中,熵被用来计量信息源发出的每个代码含有多少信息量.在物理学中人们广泛研究某些物理量在空间中的分布及其演变.这里我们引用熵来描述物理量在空间中分布状态的丰富程度.     

记忆与遗忘

<正>据说,金鱼的记忆力有7秒钟,而餐厅服务员工作时的记忆力只有3秒钟,那么你能记住多久之前发生的事呢?大脑能记住多少信息一些具有非凡记忆天赋的人,他们令人叹为观止的记忆能力让我们知道,我们大脑的记忆量远比我们想象的要多得多。与用了一定数量后就不能再拍摄任何照片的数码相机存储卡不同的是,我们的大脑似乎永远不会耗尽空间,能够无限地记录新的信息。长期以来,神经科学家一直试图测量出人类大脑的最大容量,却一直未能得出最后的     

眼睛能直接操纵机器吗

眼睛是观察的器官,是认识世界的窗口.手是劳动的器官,是改造世界的工具.两者虽然不同,却有联系.眼睛观察得越仔细、越具体,手的动作也就越敏捷、越准确.人们平时常说"眼明手快",就是这个意思.不过,眼的观察和手的动作并不是直接联系的,需要通过大脑把它们联系起来.大脑对眼睛获取的信息进行加工、提取,然后向手发出指令,手去完成相应的动作.人们常说的"心明眼亮"、"得心应手",它的科学根据其实就在这里.     

美哉物理(十一)时间之矢演化所凭

时间是少数几个最基本的科学概念中的一个。有哲学家说:“应从时间理解存在”;又有哲学家说:“由于运动,空间在时间中产生”。爱因斯坦就是从时间概念着手,创立了相对论以及相对论时空观,他认为:“空间和时间融合成为一个均匀的四维连续区”,四维时空依赖于物质及其运动而变更着自身的形式。这时间概念的深刻     

电沉积制备钯微/纳米结构材料

利用准二维电沉积法, 通过控制不同浓度的PdCl2溶液和沉积电压, 在硅衬底上制备出了钯微/纳米结构材料, 分别用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对沉积物的形貌和结构进行了表征. 结果表明, 随着溶液浓度和沉积电压的不同, 沉积物呈现出准阵列、“树枝”状和膜状三种形貌, 溶液的离子浓度和生长电势对于沉积物形貌具有决定性的影响, 这些钯微/纳结构材料均由钯纳米颗粒构成, 属于面心立方结构.     

听古典音乐能提高记忆力吗?

有研究显示音乐是由右侧大脑加工处理的,而另一些研究则认为左脑也很重要.通过脑电图记录大脑活动显示:左右大脑均对音乐起反应.     

大脑3D透视图涵盖所有基因组

不久前,美国科学家绘制了一个交互式综合"大脑图谱",并已上传到网上(网址为http://human.brain-map.org),以便帮助世界各地的科研人员开展神经学研究人类染色体组里有超过2万个基因,大约84%活跃在人类大脑中。为了绘制这一图谱,科学家对3位男性死者捐赠的大脑切成小块后逐一进行扫描,记录下2万个基因的活跃水平。他们的下一个目标是扫描一位女性的大脑,看看其与男性大脑有什么不同这一由美国西雅图艾伦脑科学研究所绘制的大脑图谱,旨在希望其他研究人员把他们通过大脑扫描和遗传研究获得的发现与之进行比较,以     

时间为何不同于其他维度?

似乎所有人都知道时间的特殊性,但物理学——迄今最精密、最成功的科学怎么处理它?梳理2000多年来物理学的基本运动理论的发展,一个初步的脉络呈现在我们面前.亚里士多德认为时间维度与空间维度是互不影响的,空间维度可能更为重要——天上和地面的运动规律是不一样的.牛顿引入绝对时间与绝对空间的概念,在经典力学中时间维度是与空间维度地位平等的.牛顿提出三大运动定律以后,物理学的基本运动理论一分为三:爱因斯坦的(狭义)相对论力学、量子力学和演化力学.三个力学理论分别引入一个普适物理常数:真空中光速c、普朗克常数h和玻尔兹曼常数k,各自界定了对物理世界认识的一个极限:光速不变性、不确定性和不可逆性.对时间的认识也一分为三:量子力学基本沿用经典力学的时间概念;基于相对论,力学时间与空间统一了,可以在一定程度相互转换,但基本的时序是相对性不变的,时间与空间有所不同;基于热力学第二定律和耗散-涨落定理所代表的不可逆性,演化力学给予了时间一个特别地位.这些显然还不是最后答案.三种普适力学若是统一,以后时间的作用怎样?     

大脑前额叶与思维

思维是人脑的重要功能.人类之所以具有高超的智慧,与人类大脑有着高度发达的思维功能是分不开的.长期以来,人们一直在作出种种努力,希望揭开大脑思维功能之谜.自从十九世纪中期医学临床观察中发现大脑额叶损伤的病人出现言语功能障碍,进而在额叶皮层发现言语中枢(Broca 区)以后,逐渐形成了大脑功能定位的概念,即大脑的不同部位有着不同的生理功能.例如大脑枕叶与视觉功能有关,颞叶与听觉功能有关,顶叶与躯体感觉功能有关,额叶的后部与随意运动功能有关等等.那么,额叶前部有什么     

神经科学家利用蝙蝠寻求解开大脑三维空间导航的秘密

揭开人和动物大脑方位感知与空间导航的秘密,一直是一个令人着迷的问题.科学家通过对大鼠和蝙蝠等动物近50年的研究,使我们对大脑二维(2 dimension, 2D)导航的神经基础有了较清楚的认识.研究发现,在海马和内嗅皮质等脑区有专门的导航细胞,包括位置细胞、网格细胞、边界细胞、头朝向细胞等.这些细胞及它们的"细胞域"可为2D空间导航提供"空间认知地图"或"心灵环境地图"和"指南针".然而,人和大量动物都生活在三维(3 dimension, 3D)空间中,大脑如何完成3D空间环境下的定位和导航?近年来,通过对爬行和飞行状态蝙蝠的研究,发现参与2D导航的那些细胞在3D空间下反应特性和模式均发生明显变化;蝙蝠属于社会性和群居性动物,研究还发现在其海马内存在社交位置细胞和目标方向角调谐细胞,分别负责获取环境中其他蝙蝠位置的踪迹信息以及目标的方向信息.由此可见,脑内这些空间定位细胞构成了导航的神经基础,并经过复杂的功能整合,构成了一个位于脑内的"微型全球定位系统",且在细胞水平上阐释了这种高级认知功能的原理.本文简要介绍了Nachum Ulanovsky等人近些年对蝙蝠大脑3D导航的研究.     

创造性的大脑网络连接特征与研究展望

创造性是人类智慧的重要体现,其复杂的认知加工依赖于多个脑区的相互作用而非受单一脑区的调控.人脑连接组学的发展为深入揭示创造性的脑网络基础提供了可能,创造性的脑机制研究也正逐渐从局部脑区拓展到脑网络连接层面.功能网络研究表明,默认网络、突显网络、额顶控制网络的协作模式在创造性思维各阶段发生着动态变化;这些网络在静息状态下的功能协作也与创造性有密切联系,高创造性个体的大脑自发性神经活动具有灵活易变的特点.结构网络的证据进一步确认了默认网络与额顶控制网络分别负责不同类型的创造性认知能力,如远距离概念的检索生成与组合评估.基于创造性思维的双加工模型,已有研究认为,默认网络主要通过自发性联想在记忆系统中检索和提取新颖信息,控制网络负责根据任务要求对当前观点进行评估和选择,突显网络可能根据联想内容的新颖性负责默认网络和控制网络之间的灵活转换.未来研究需要不断整合创造性领域的数据资源,确定创造性的主要成分及对应的测评工具,结合多模态脑影像揭示创造性的功能网络动态协作模式及结构网络的独特作用,并利用多组学多模态的大数据优势实现对个体创造性水平的精准预测评估,探索创造性培养的有效途径和大脑可塑性机制.     

大白鼠脑活体(in vivo)和在体(ex vivo)核磁共振定域谱分析

在 2 0 0MHz水平宽孔核磁共振成象谱仪上对大白鼠大脑进行了单体元的空间定域波谱分析 .质子定域谱由双自旋回波 (PRESS)脉冲序列完成空间定域 ,用化学位移选择激发 (CHESS)和魔角相散梯度的组合序列进行水峰抑制。比较了不同回波时间TE对定域谱信号的影响。并进一步将活体定域谱和同一只大白鼠死亡不久的大脑相同区域的核磁共振定域波谱进行比较。实验结果表明 ,短TE脉冲序列得到的定域谱信号比长TE得到的谱信号丰富 ,但几个主要信号峰的谱分辨稍差。而在死亡的大白鼠大脑的定域谱中 ,出现了活体谱中见不到的乳峻信号峰。除了乳酸峰之外。存活和死亡的大白鼠之间它们的大脑定域谱没有明显差别 ;另一方面 ,TE对定域谱的影响也与大白鼠的存活和死亡的状态几乎无显著关系。     

转化神经基因组学:解读复杂大

正神经基因组学领域近期的发展正在以史无前例的规模探索大脑的奥秘。基因组学技术的发展同神经生物学工具结合在一起,催生了大量新发现,改变了我们对大脑连接性及其向复杂大脑疾病过渡的认识。重要的例子是:对神经毒性反应性星形细胞的鉴定形成了我们对大脑线路的认识,星形细胞由受激活小神经胶质细胞诱导的,可以导致神经元和少树突胶质细胞的死亡。这些畸变的星形细胞在     

承载土的冻结点及其测定

Workman-Reynlds效应发现以来,溶液的冻结电势逐渐引起关注。Hanley和Rao研究了冻结电势随溶液的冻结时间、离子浓度及其种类等因素的变化情况。笔者曾利用冻结     

社会经济地位对大脑结构与功能的影响

社会经济地位(socioeconomic status, SES)与大脑结构和功能的关系对于理解社会经济因素对心理行为的影响以及预防大脑和心理疾病具有重要意义.在过去十多年中,研究者使用认知神经科学的方法对SES与大脑的关系进行了探索,发现SES与大脑结构和功能之间可能存在相关性,但这些研究的结果却不完全一致.本文从大脑结构与功能两个层次出发,按照认知与情绪两大主题对SES与大脑关系的认知神经科学研究进行回顾,在此基础上对比不同研究结果的异同之处.结果发现:(1)在脑结构上, SES水平与海马体(主要负责记忆)、前额叶(参与执行功能等高级认知过程)及皮层下结构(主要包括参与情绪加工的杏仁核等结构)可能存在相关;(2)在脑功能上,不同SES水平的个体在进行执行功能、学习和记忆等相关任务时,大脑活动模式可能存在差异,同时正性与负性情绪刺激所引发的大脑活动在不同SES水平的个体上可能有所差异.值得注意的是, SES与大脑关系的研究中还面临着诸多挑战,如SES测量的复杂性和全面性、大脑结构与功能自身发展和测量的复杂性、SES影响大脑机制的多层次性等.未来的研究需要应对上述的挑战,同时考虑文化差异等影响,从而能够更准确地理解SES与大脑的关系,并为中国社会治理政策提供指导.     

科学释疑

<正>微波炉伤脑还致癌吗浙江的吴女士问:有人说微波辐射会危害人体健康、损伤大脑,有人说微波加热的食物会产生致癌物。这些说法到底是真是假?@专家解答:微波炉是通过其产生的辐射电子形成有序的空间电子流,用磁场穿过电子流产生控制作用,在磁场控制和给定的几何环境下产生电子流的交变,再通过波导管使交变电子流进入食品加工区域,交变电子流会激发极化食物中的水分子产生交变运动从而发热,水再将产生的热传递给食     

猫视皮层神经元时间特性与空间特性的关系

视皮层神经元能精确地分析外部图象的时间和空间模式.它的时间调谐特性和空间调谐特性是相对稳定的.这一特点使我们有可能分别地研究视皮层神经元的时间特性和空间特性,并分析两者之间可能存在的关系.1 方法本文的方法细节与文献[2]相同.仅列举要点如下:1.1 动物准备、刺激和记录动物麻醉和麻痹后,将头部固定在立体定位仪上,在对应于17和18区的部位做颅骨钻孔手术.刺激图形采用正弦调制的移动光栅,刺激屏幕中心对准感受野中心,屏幕的视角范围为20×20°.用玻璃绝缘的钨丝微电极记录单个神经细胞放电;放电信号由计算机采集,作成刺激后时间直方图(post-stimulus-time-histogram,PSTH).对各种刺激条件下的PSTH进行Fourier(FFT)分析,计算反应的基频和直流分量的幅度,并根据基频与直流分量之比计算相对调制度(RM),RM大于1的划分为简单细胞;RM小于1的划分为复杂细胞.测定皮层细胞在不同空间频率和不同时间频率下的放电频率,分别作成空间频率调谐曲线和时间频率调谐曲线,并根据曲线的峰值确定每一个被记录细胞的最佳空间频率和最佳时间频率.1.2 整合时间的计算     

P300与创造性组块分解

创造性在人类发展中扮演重要角色,而顿悟问题解决则是创造性的关键方面.组块分解是通达创造性顿悟的一种机制.其假设认为组块分解的难度取决于被分解组块的紧密性:紧组块涉及移除无意义的知觉元素,而松组块涉及移除有意义的知觉元素,紧组块分解比松组块分解更难.考虑到组块分解也受其他因素如空间关系的影响,基于元素类型假设的相关研究并没有排除这些因素.本研究在控制了混淆因素后检验组块分解的认知神经机制,特别是在控制了空间关系这一混淆因素后,基于元素类型的组块分解是否能引发P300效应.被试在两种条件下从一个源汉字中移除笔画(紧组块条件)或者汉字(松组块条件)从而得到另外一个汉字.保持两组条件下源汉字中的被移除部件和剩余部件都是上下关系,同时记录这个过程产生的事件相关电位.行为结果显示,紧组块分解比松组块分解耗时更长.脑电结果显示,基于元素类型的组块分解引发了P300效应:紧组块条件比松组块条件引发了更大波幅的P300.研究提示,元素类型是组块分解的困难源之一并且组块分解可能涉及知觉转换过程中的表征更新.     

猴子一小口 人类一大步

科学家们最近宣布,将猴子的大脑通过电极与计算机连接后,两只经过训练的猴子可以靠思维来控制机械手以取食少量的食物.这项惊人的壮举被认为是机械假肢研制中的一个重大突破——瘫痪病人用思维就能控制和操纵这些机械假肢.     

用意念操控的机器手臂

布朗大学大脑科学研究所所长约翰·唐纳休抑制不住内心的喜悦.多年来,他一直致力于一项革命性的研究,就是采集瘫痪病人的大脑信号,并将其转化为现实指令,去自由操作机械四肢.如果一切顺利的话,凯西·哈钦森——一位丧失四肢活动能力的58岁的脑卒中女性——就能控制机器手臂,将一瓶咖啡端到嘴边.而所有这些动作,都是通过想象完成的."伙计们,"唐纳休对同事大声说,"去买我们承受范围内最贵的照相机,用高清晰的镜头记录下这历史性的一刻!" 正如唐纳休预测的那样,哈钦森"端起"咖啡,啜饮了一小口.这是她卧病在床14年来,第一次为自己服务,也是世界上用意念操控机器手臂的第一人.2012年,《自然》杂志报道了这一成果.