脑波流转，思维有形？

我起床，走过光线昏暗的走廊，想着冰箱里有什么，早餐该吃什么。几乎不费什么力气，我便在短短几秒内穿行于周围环境，调取记忆，并判断身体的能量状态。大脑究竟是如何做到的？

部分答案在于电。大脑将大约一半的能量资源用于维持电化学梯度，让神经元随时准备放电。这使大脑能够极其灵活地应对日常生活中的各种需求。许多神经元的集体电活动表现为波，从一个脑区传播到另一个脑区，就像足球赛看台上热情观众举起手臂形成的人浪。

新的研究正在揭示，这些波比过去认识到的更加复杂。研究人员通常通过电极测量它们，将其识别为基本的平面波，也就是结构简单的神经活动振荡。神经科学家过去往往把这些波看作大脑“引擎”运转时发出的声响，认为它们不过是大脑正在工作的迹象。然而，来自人类和动物研究的新证据表明，这些行波在大脑运作中发挥着核心作用。

“不断涌现的研究，正让我们从‘它们重要吗？’转向‘这是皮层处理信息的一种主要模式’。”麻省理工学院认知神经科学家厄尔·K.米勒（Earl K. Miller）说。

2026年4月发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的一项研究中，神经科学家测量了神经活动的行波，发现了多种形态：似乎从某个位置向外发散的源波，向某一点汇聚的汇波，以及类似涡旋的螺旋波。研究团队包括芝加哥大学的约书亚·雅各布斯（Joshua Jacobs）和阿努普·达斯（Anup Das），他们发现，不同的行为任务与不同的波动模式相关。

神经元与周围神经元之间的连接可以随时间改变，但这种变化通常需要数天乃至数月。行为却必须在几秒内作出调整。如今，不少神经科学家认为，这些大尺度的波动模式可能有助于实时重组大脑，以满足清醒时各种行为的需求。

“即便行波只是神经元放电的结果，就像引擎发出的声音，它仍然能根据一个人正在做什么，告诉我们一些关于大脑的有趣信息。”雅各布斯说，“如果你发现声音沿某个方向穿过引擎，就意味着引擎内部的某些部分具有方向性的组织结构。”

来回传播

早在20世纪20年代，神经科学家就开始通过脑电图（electroencephalography，EEG），利用放置在头皮表面的电极测量大脑的电活动振荡。当我们集中注意力、记忆或睡眠时，大脑大尺度电活动的频率会发生变化。这些不同的振荡通常称为α波、β波、γ波和θ波，频率以赫兹为单位。

但从颅骨外记录电活动，会限制所获信息的精确程度。雅各布斯的实验室专门研究颅内脑活动记录。为定位癫痫发作的起源，重度癫痫患者有时会接受脑内电极植入。在患者许可下，雅各布斯及其团队可以利用放置在特定脑区的大约100个电极，记录参与者执行各种思维任务时的活动，获得空间和时间上都具有高分辨率的数据。

雅各布斯与合作者莫汉曾参与一项研究，利用这种技术观察记忆任务中的脑活动。莫汉目前是美国国立卫生研究院的神经工程学家。在2024年发表于《自然-人类行为》（Nature Human Behaviour）的研究中，他们描述了沿相反方向穿过大脑最外层——皮层——的波。“它们要么从大脑后部向前传播，要么从前部向后传播。”雅各布斯说。

雅各布斯认为，理解这一结果的一个好办法，是把波的传播方向看作信息的传播方向。视觉区域位于大脑后部，而作为“更高层级”记忆区域的前额叶皮层位于前部。当你注意眼前看到的东西时，信号从眼睛中的感受器向后传到视觉皮层，再借助行波向前传至大脑其他部分，形成记忆。“这一过程的标志，就是看到波从大脑后部向前部传播。”雅各布斯说。

“我们认为，大脑可能利用这种组织方式，根据当下需要支持的活动，在很短的时间内切换记忆编码和回忆功能。”莫汉解释道。

变化的模式

雅各布斯和达斯2026年的研究让这幅图景变得更加复杂。研究表明，这些波可以呈现出更加多样的形状、模式和波纹，远不止简单的上下起伏或从后向前传播。

实验中，研究团队要求参与者完成两项记忆任务。第一项是简单的词语记忆练习：回忆自己在屏幕上看过的词语。第二项是更复杂的空间任务：在虚拟环境中行进，并回忆途中遇到的物体的位置。

凭借高分辨率的记录方法，雅各布斯和达斯首次在清醒的人类中观察到两类新的波。一类是从皮层某一区域向外发散的同心波，就像石子落入湖面激起的涟漪；也可能反过来，向某个区域汇聚。另一类是顺时针或逆时针旋转传播的螺旋波，像飓风，也像马桶冲水时形成的漩涡。

“与词语任务相比，我们在空间任务中看到旋转波的频率略高一些；词语任务中的波往往结构更简单。”雅各布斯说，“这似乎表明，这些旋转波更适合执行复杂的记忆行为。”

雅各布斯说，研究人员很早就开始在人类中进行颅内记录，但往往一次只查看一个或少数几个电极的数据。这让人以为，整个大脑外层皮层上只有简单的波。雅各布斯意识到，如果观察间距适当的一组电极，波的结构和方向性就会更加清晰。

雅各布斯联系了匹兹堡大学的数学生物学家巴德·埃尔门特劳特（Bard Ermentrout），后者一直在小鼠中研究类似的模式。埃尔门特劳特认为，过去观察到的简单波动模式，实际上可能只是更复杂波动的一部分。然而，直到最近，研究人员才有机会获得位置和空间尺度都适合捕捉更大范围模式的电极记录。

“也许平面波只是旋涡外围的旋臂，而你恰好没看到风眼。”作为2026年4月论文的共同作者，埃尔门特劳特说，“在飓风中，你只感觉到风朝一个方向吹。除非就在风眼附近，否则你不会知道它正在旋转。”

由于研究只能从患者因癫痫治疗而植入电极的位置采集数据，“我们可能还没有看清这些模式究竟有多普遍”，雅各布斯说。

不只是引擎的声响

这些存在于大脑局部电场中的波究竟发挥什么作用，目前尚无共识。但一些科学家认为，它们为大脑协调不同区域的活动提供了另一条途径。米勒说，与神经元之间稳定、偏重结构的连接相比，这些波动模式更加动态，也更加灵活。在他看来，大脑利用这种涌现出的生物物理组织层次合乎情理，因为它的变化和移动与行为发生在同一时间尺度上。

“大脑的结构确实很重要，行波也往往沿着解剖结构传播，但并不严格遵循它。……连接关系更像是固化在大脑中、用于长期储存的信息，而这些波则对应着这些信息通过思维和神经加工表达出来的过程。”米勒说。

这些波可能与多种脑功能有关。研究发现，有证据表明它们参与感觉加工、预测，以及调节神经元本身的兴奋性，让神经元在需要时更容易或更不容易放电。

2026年6月发表于《科学》的一篇论文，与雅各布斯团队在人类癫痫患者中的发现相呼应。深圳医学科学院的神经科学家叶智文和华盛顿大学的尼古拉斯·斯坦梅茨（Nicholas Steinmetz）也观察到了环形旋转波，不过这一次是在小鼠大脑中。有趣的是，这些波在左右脑半球之间呈镜像关系，并且同步活动。此外，在躯体感觉皮层——感觉信息与身体运动相整合的区域——神经元的轴突连接呈螺旋状的环形排列。这种排列可能有利于产生类似飓风的波。

“我们发现，存在一个回路，也就是细胞之间的一组连接，来形成并介导这些波。”叶智文说，“如果这些波不重要，大脑为什么要以这种方式连接这些细胞？”

2026年9月发表于《神经元》（Neuron）的一篇综述中，主要作者、得克萨斯大学达拉斯分校的莱尔·穆勒（Lyle Muller）和索尔克生物研究所的约翰·雷诺兹（John Reynolds），结合数十年的神经科学研究，提出视觉皮层中的行波可能有助于预测即将到来的感觉信息。他们描述了不断演变的波动模式如何同时携带大脑刚刚经历的信息和正在经历的信息，从而帮助大脑对接下来可能经历的事情作出短期预测。

米勒说，局部电场中的波能够兴奋或抑制其下方的神经活动机制，可能在认知中发挥关键作用。他把皮层神经元形容为“坐在墙头上的蛋形人矮胖子”，摇摇欲坠，恰好处于放电的临界点。这种振荡的电活动可以改变神经元之间连接突触处的电压梯度，使神经元之后更容易或更不容易放电。

并非所有人都认同局部电场中的行波参与大脑信息加工的假说。纽约大学系统神经科学家尤里·布扎基（György Buzsáki）认为，这些波只是下方突触层面活动的反映。神经元越多、活动越同步，电场及其中的振荡就越强。在布扎基看来，这些模式能够告诉我们一些关于下方神经回路的有趣信息，但也仅此而已。“电流是由突触产生的。”他说，“电流进入神经元后，神经元进行计算，产生动作电位，并彼此通信。你并不需要细胞外空间中发生任何事情。”

这些波究竟在做什么，是否发挥作用，其真实性质仍未完全厘清。不过，越来越多的证据表明，它们可能对大脑实时组织、加工和表达信息十分重要。

“生物系统会利用规律性和可预测性，而这些波正在以有组织、可预测的方式活动，并且与认知功能相关。”米勒说，“如果这还不能说明某种机制正在发挥作用，我就不知道还有什么能说明了。”

作者：Conor Feehly

译者：EY

https://www.quantamagazine.org/surprisingly-complex-waves-reveal-the-brains-inner-workings-20260930/