大脑如何重新集中注意力【麻省理工】

麻省理工学院皮考尔研究所的研究人员发现，大脑活动的旋转波有助于在分心后恢复注意力。在动物试验中，这些旋转预测了表现：完全旋转意味着完全恢复，而不完全旋转会导致错误。大脑需要时间来完成这个循环，揭示了认知恢复的生物节律。

尽管大脑很容易偏离轨道，但它也具有重新集中注意力的非凡能力。麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的研究人员揭示了这个过程是如何运作的。在一项新的动物研究中，他们发现同步的神经活动表现为大脑中的旋转波，有助于引导思维回到手头的任务上。

“旋转的波就像牧民一样，将皮层引导回正确的计算路径，”该研究的资深作者、皮考尔研究所和麻省理工学院大脑与认知科学系的皮考尔教授厄尔·米勒 （Earl K. Miller） 说。

皮考尔研究所的博士后研究员塔马尔·巴塔比亚尔 （Tamal Batabyal） 领导了这项工作，该工作于 11 月 3 日发表在《认知神经科学杂志》上。

数学“旋转”......

在实验中，动物执行视觉工作记忆任务，同时偶尔会遇到两种类型的干扰之一。正如预期的那样，这些干扰扰乱了表现——有时会导致动物需要做出反应时出现错误或反应时间变慢。在任务期间，科学家们监测了前额叶皮层数百个神经元的电信号，前额叶皮层是参与决策和复杂思维的大脑区域。

为了了解这种神经活动如何随时间和不同条件（有或没有分心，以及在准确或不准确的表演期间）而变化，该团队使用了一种称为子空间编码的数学方法。该技术可视化了神经元组如何协调其活动，揭示了组织模式。

“就像椋鸟在天空中呢喃，”米勒说。

每次分心后，研究人员都会看到亚空间内的旋转模式，就好像那些“椋鸟”在被分散后盘旋回队形一样。根据米勒的说法，这种圆周运动代表了大脑在中断后恢复其协调状态。

旋转程度甚至可以预测任务表现。当分心没有造成错误时，神经活动形成一个完整的圆圈，标志着完全恢复。但是当分心扰乱表现时，圆圈仍然不完整（平均 30 度），旋转移动得更慢。这种较慢的步伐可能反映了大脑无法完全恢复注意力。

另一个观察结果是，当分心和所需反应之间经过更多时间时，恢复会有所改善。数据表明，大脑需要这个间隔来完成其在数学空间中的旋转并恢复神经和行为焦点。

亚空间编码表明，神经元以高度协调的旋转模式运行，有助于保持注意力。有趣的是，这些轮换仅在发生分心时出现（无论分心的类型如何），而不是自行出现。

… 反映大脑中的物理旋转

子空间编码只是神经活动随时间变化的抽象数学表示。但当研究人员查看神经活动的直接物理测量时，他们发现它实际上反映了在皮层中旋转的真实行波。多项测量表明，神经尖峰活动具有不断变化的角度的空间顺序，与穿过皮质电极旋转的活动波一致。事实上，实际的波以与子空间编码中数学表示的波相同的速度旋转。

“原则上没有理由说明这个数学子空间中的旋转应该直接对应于皮层表面的旋转，”米勒说。“但它确实如此。这对我来说表明，大脑正在使用这些行波来实际进行计算，模拟计算。模拟计算比数字计算更节能，生物学更倾向于节能解决方案。这是一种不同的、更自然的神经计算思考方式。

除了米勒和巴塔比亚尔之外，该论文的其他作者还有斯科特·布林卡特、雅各布·多诺霍、米凯尔·伦德奎斯特和梅雷迪思·曼克。

这项研究的资金来自海军研究办公室、西蒙斯社会大脑中心、自由基金会和皮考尔学习与记忆研究所。

本文工作发表于《认知神经科学杂志》（2025）-“分心后的状态-空间轨迹和行波”。

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