出人意料的复杂脑电波揭示大脑运作机制

引言

我从床上爬起来，走过灯光昏暗的走廊，一边琢磨着冰箱里有什么、早餐该吃点什么。毫不费力地，我在几秒钟内完成了对周围环境的导航、记忆的调取，以及对身体能量状态的评估。大脑是怎么做到的？

一部分要归功于电。大脑将大约一半的能量资源用于维持电化学梯度，让神经元时刻保持待命状态、随时可以放电。这让大脑在应对日常生活各种需求时具备了非凡的灵活性。大量神经元的集体电活动可以看作在大脑中从一个区域传播到另一个区域的波，就像足球赛场上此起彼伏的人浪。

新的研究正在揭示，这些波比我们已知的更加复杂。以往通过电极测量的结果是基本的平面波——结构简单的神经活动振荡。神经科学家传统上把它理解为类似大脑引擎空转的声音，不过是在正常运转的信号而已。但来自人类和动物研究的新证据表明，行波在大脑的运作方式中扮演着核心角色。

“新涌现的研究正在把这个问题从‘它们重要吗？’推向‘这是大脑皮层处理信息的主要模式。’”麻省理工学院认知神经科学家 Earl K. Miller 说。

2026 年 4 月发表于《自然·通讯》的一项研究中，神经科学家测量了神经活动的行波，观察到的景象颇为丰富：有看似从单一点位发散的源波，有汇聚于某点的汇波，还有类似涡流的螺旋波。该研究团队包括芝加哥大学的 Joshua Jacobs 和 Anup Das，他们发现不同的行为任务对应着截然不同的波模式。

神经元与邻居之间的连接确实会随时间变化，但这通常以天或月为单位。相比之下，行为适应需要在几秒内完成。越来越多的神经科学家认为，这些大尺度的波模式可能帮助大脑实时重组，以应对清醒状态下的行为需求。

“即使行波仅仅是神经元放电的结果，就像引擎发出的声音，它仍然能根据人的行为向我们揭示大脑的一些有趣信息，”Jacobs 说，“如果你在引擎中听到某种声音向特定方向移动，说明引擎内部存在方向性的组织结构。”

往复流动

早在20 世纪 20 年代，神经科学家就开始通过脑电图（EEG）在头皮表面放置电极，测量大脑的振荡电活动。当我们集中注意力、回忆或睡眠时，大脑电活动的大尺度频率会发生变化。这些振荡通常被称为 Alpha、Beta、Gamma 和 Theta 波，其单位是赫兹。

但从颅外记录电活动会限制所能获取信息的精度。Jacobs 的实验室专门做颅内脑电记录。重度癫痫患者可能需要在脑内植入电极来定位癫痫灶。在大脑特定区域植入约 100 个电极后，经患者同意，Jacobs 和他的团队就能在参与者完成各种思考任务时，捕获空间和时间上都是高分辨率的数据。

Jacobs 与合作者、如今在 NIH 担任神经工程师的 Uma Mohan 曾参与一个团队，利用这项技术观察记忆任务中的大脑活动。在 2024 年发表于 Nature Human Behavior 的研究中，他们描述了在大脑最外层——大脑皮层——上沿相反方向移动的波。Jacobs 说：“它们要么从后往前，要么从前往后横跨大脑。”

Jacobs 说，理解这个结果的一个好方式，是把这些波看作信息传播方向的表现。视觉区域在大脑后部，而前额叶皮层这个“更高层级”的记忆区域在前面。如果你正专注于眼前的东西，信号会从眼睛里的感受器向后传到视觉皮层，然后通过波向前传入大脑其他区域以形成记忆。Jacobs 说：“这种现象的标志就是看到波从大脑后部传向前部。”

Mohan 解释说：“我们认为，大脑正是利用这种组织方式，根据当下需要支持的功能，在快速时间尺度上切换记忆的编码与提取。”

不断变化的模式

Jacobs 和 Das 在 2026 年的研究让这幅图景变得复杂了。研究显示，这些波可以呈现出远比简单的上下、前后运动丰富得多的形状、模式和涟漪。

实验中，研究团队让参与者完成两项记忆任务。第一项是简单的言语记忆练习，需要回忆此前在屏幕上看到过的单词。第二项是更复杂的空间任务：参与者在一个虚拟环境中导航，并回忆所遇到物体的位置。

借助这种高分辨率方法，Jacobs 和 Das 首次在清醒的人类大脑中观察到了两类新的波。一种是从皮层某个区域发出的同心波，就像投入湖中的石子激起的涟漪；也有相反的情况，即波向某个区域汇聚。另一种是旋转的螺旋波，沿顺时针或逆时针方向行进，类似飓风或马桶冲水时的水流。

“这种旋转波在空间任务中出现得比言语任务中稍多一些，而言语任务中的波结构往往更简单，”Jacobs 说，“这似乎表明，旋转波更适合完成更复杂的记忆行为。”

Jacobs 说，研究人员对人做颅内电极记录已经很多年了，但往往一次只看单个电极或少数几个电极，这就造成了整个外层皮层只有简单波形的印象。Jacobs 意识到，如果观察间距合适的电极群，波的结构和方向性就会清晰得多。

Jacobs 联系了匹兹堡大学的数学生物学家 Bard Ermentrout，后者此前在小鼠身上也研究过类似模式。Ermentrout 认为，过去观察到的简单波形，实际上可能只是更复杂波的一部分。只是直到最近，研究人员才拥有位置合适、空间尺度合适的电极，足以捕捉到更大的整体图景。

“也许那些平面波只是旋臂的外缘，你漏掉了风暴眼，”这篇 2026 年 4 月论文的共同作者 Ermentrout 说，“在飓风中，你只会感到风朝一个方向吹。除非你恰好在风暴眼旁边，否则你根本不知道它在旋转。”

由于研究只能收集患者因癫痫治疗而植入电极的那些部位的数据，“这些模式究竟有多普遍，我们可能还看不到全貌，”Jacobs 说。

不止于运动

目前科学界尚未就脑部局部电场中这些波的具体作用达成共识，但有研究者认为，它们为大脑在区域间协调活动提供了另一条途径。米勒指出，这些波形比神经元之间稳定且更具架构性的连接，要动态和灵活得多。在米勒看来，利用这种与行为同一时间尺度上不断变化的、涌现出的物理组织层面，完全合乎逻辑。这一层结构即生物物理组织层。

“大脑的架构至关重要，行波通常会遵循解剖结构，但并不严格受限。…… 这种连接更像是大脑中用于长期存储的信息，而波则是这些信息在思维和神经处理过程中的表达形式。”米勒说。

这些波可能与多种大脑功能相关。研究发现，它们在感觉处理、预测以及对神经元底层兴奋性进行调节方面发挥作用，使神经元在被调用时更难或更容易发放。

2026 年 6 月发表在 Science 上的一篇论文，印证了 Jacobs 团队在人类癫痫患者身上观察到的结果。深圳医学科学院的 Zhiwen Ye（叶智文）和华盛顿大学的 Nicholas Steinmetz 同样观测到了环形旋转波，不过这次是在小鼠大脑中。有趣的是，这些波在左右脑半球之间呈镜像且同步。更引人注意的是，在负责整合感官信息与身体运动的体感皮层中，轴突神经元竟以螺旋状环形方式连接在一起——这或许正是这些飓风般波动的产生机制。

"我们发现存在这样一条环路，一组细胞相互连接，形成并调控这些波，"叶智文说，"如果它们不重要，大脑为什么要以这种方式把这些细胞连接起来？"

在 2026 年 9 月发表于 Neuron 的一篇综述中，第一作者、得克萨斯大学达拉斯分校的 Lyle Muller 和索尔克生物研究所的 John Reynolds 汇总了数十年的神经科学发现，论证了视觉皮层中的行进波或许有助于预测即将到来的感官信息。他们指出，这些不断演变的波形既能携带大脑刚经历过的信息，也能携带当前正在经历的信息，从而帮助大脑对接下来可能经历什么做出短期预测。

米勒表示，局部电场中的波动可能在认知中发挥关键作用，因为它们能够激活或抑制底层的神经机制。他将大脑皮层中的神经元比作“坐在墙边的汉普蒂先生（Humpty Dumpty）”，随时处于即将放电的临界状态。这种振荡的电信号活动可以改变连接神经元的突触处的电压梯度，从而影响它们未来放电的可能性。

并非所有人都认同局部电场中传播的波动参与了大脑处理信息这一假说。纽约大学的系统神经科学家 György Buzsáki 认为，这些波动仅仅是突触层面活动的反映。神经元数量越多，同步性越强，电场及其中的振荡就越强烈。Buzsáki 表示，这些模式能揭示底层电路的一些有趣信息，但仅此而已。“产生电流的是突触，”他说，“当电流流入神经元，它们进行计算并产生动作电位，彼此通信。你不需要依赖细胞外空间发生的任何事。”

尽管这些波究竟在做什么——或者是否在做些什么——尚未完全定论，但越来越多的证据表明，它们可能对大脑如何实时组织、处理和表达信息至关重要。

“生物学利用规律性和可预测性，而这些波动与认知功能相关联，做着有序且可预测的事，”米勒说，“如果这都不能说明有某种机制在运作，那我也不知还有什么能说明。”