令人惊讶的复杂波揭示了大脑的内部运作

我起床了。我穿过昏暗的走廊，想着冰箱里有什么以及早餐应该吃什么。我不需要付出任何努力，就可以在几秒钟内浏览我的环境、访问我的记忆并评估我身体的能量状态。大脑是如何做到这一点的呢？部分通过利用电力。大脑花费大约一半的能量资源来维持电化学梯度，使神经元保持平衡并准备好随时放电。这使大脑在应对日常生活需求方面具有非凡的灵活性。许多神经元的集体电活动可以被视为通过大脑从一个区域传播到下一个区域的电波，就像足球比赛中热情的观众举起的手臂一样。新的研究表明这些波比之前已知的更加复杂。通常通过电极测量，它们被认为是基本的平面波：神经活动中简单结构的振荡。神经科学家传统上将其解释为有点像大脑引擎运转的声音，只不过是它正在工作的迹象。然而，人类和动物身上的新证据表明，行波在大脑功能中发挥着核心作用。麻省理工学院的认知神经科学家厄尔·K·米勒 (Earl K. Miller) 表示：“即将开展的工作正在将这个问题从‘它们相关吗？’转变为‘这是皮层如何处理信息的主要主题’。”在《自然通讯》2026 年 4 月发表的一项研究中，神经科学家测量了神经活动的行波，并观察到了一个动物园：似乎从一个位置发出的源波、汇聚在一个点上的沉波以及漩涡状的螺旋波。该团队包括芝加哥大学的约书亚·雅各布斯和阿努普·达斯，他们发现不同的行为任务与不同的波浪模式相关。 Joshua Jacobs 和 Anup Das 所在的团队使用颅内电极观察复杂的脑电波模式。随着时间的推移，神经元可以改变与邻居的联系，但这通常会在几天或几个月的时间内发生。然而，行为需要在几秒钟内适应。现在，大量神经科学家相信这些大规模的波模式可能有助于实时重组大脑，以满足清醒生活的行为需求。雅各布斯说：“即使行波只是神经元放电的结果，就像发动机的声音一样，它仍然可以根据人正在做的事情告诉我们一些关于大脑的非常有趣的事情。” “如果你看到声音沿着引擎的方向移动，则意味着引擎中的某些东西是有方向组织的。”早在 20 世纪 20 年代，神经科学家就已经通过脑电图 (EEG) 使用头皮表面的电极来测量大脑的振荡电活动。当我们集中注意力、记忆力或睡眠时，大脑电活动的频率会发生大规模变化。这些不同的振荡通常称为 α、β、γ 和 θ 波，以赫兹为单位测量。但是从头骨外部记录电活动限制了您可以收集的信息的保真度。雅各布斯的实验室专门研究颅内脑记录。患有严重癫痫症的人可能在大脑内放置了电极，以帮助找到癫痫发作的根源。在获得患者许可的情况下，雅各布斯和他的团队将大约 100 个电极放置在特定的大脑区域，当参与者执行各种思维任务时，他们能够跨空间和时间捕获高分辨率数据。神经工程师乌玛·莫汉（Uma Mohan）观察到记忆任务期间大脑中传播的电波，这可以帮助大脑在功能之间快速切换。雅各布斯和他的合作者乌玛·莫汉（Uma Mohan）现在是美国国立卫生研究院的神经工程师，他们所在的团队使用这种技术来观察记忆任务期间的大脑活动。在 2024 年《自然人类行为》杂志上发表的一项研究中，他们描述了大脑最外层区域（皮层）沿相反方向移动的波。 “它们要么从后到前，要么从前到后穿过大脑，”雅各布斯说。雅各布斯说，理解这一结果的一个好方法是将波视为显示信息传播的方向。视觉区域位于后面，前额皮质（“高级”记忆区域）位于前面。如果你正在注意你所看到的东西，信号就会从你眼睛里的受体向后传播到视觉皮层，然后通过电波向前传播到大脑的其他部分，形成记忆。 “其特征是看到电波从大脑后部传到前部，”雅各布斯说。 “我们认为这是大脑利用这个组织在编码和回忆记忆之间切换的一种方式