人脑容易分心，但也具备惊人的“自我校正”能力——能在分心后重新集中注意力。麻省理工学院（MIT）Picower学习与记忆研究所的最新动物实验研究揭示了这一过程背后的神经机制：一种以旋转脑波形式出现的协调神经活动，会让大脑“回归正轨”，恢复任务专注。
“这种旋转波就像牧羊人一样，将皮层的活动重新引导回正确的计算路径。”研究负责人、MIT脑与认知科学系Picower讲席教授Earl K. Miller表示。该研究的第一作者是该研究所博士后研究员Tamal Batabyal，论文发表于《Journal of Cognitive Neuroscience》。
大脑中的“数学旋转”
实验中，研究人员让动物执行一个视觉工作记忆任务。在任务过程中，动物有时会受到两种不同类型的干扰。正如预期的那样，干扰会影响其任务表现——导致错误或反应时间延长。与此同时，研究团队记录了前额叶皮层中数百个神经元的电活动，这一脑区负责高级认知功能。
为了分析神经活动在任务执行过程中的变化，研究人员采用了一种名为“subspace coding（子空间编码）”的数学方法。这种方法可以量化并可视化神经元群体活动的协调程度。结果显示，皮层神经元的活动呈现出高度协调的模式。
“这就像一群椋鸟在天空中飞行形成的云集队形。”Miller形象地说。
在干扰出现后，子空间中的神经活动轨迹出现了旋转运动，就像“鸟群”在被打乱后重新聚拢一样。这种旋转似乎代表了神经活动状态从分心中恢复的过程。
研究进一步发现，这种“旋转”程度与动物的任务表现密切相关。当干扰未导致错误时，神经活动轨迹完成了一个完整的圆形路径，表明大脑完全恢复了专注；而当干扰导致错误时，轨迹平均偏离了30度，未能形成完整的闭合循环。此外，在出错的试次中，这一旋转过程的速度较慢，说明恢复效率不足。
研究还发现，如果干扰和行为反应之间的间隔时间更长，动物的恢复效果更好。也就是说，大脑需要一定时间来“画完这个圆”，从数学意义上重新回到正确的行为轨迹。
抽象旋转与真实脑波的对应
值得注意的是，这种“旋转”并不仅仅是数学模型中的抽象现象。当研究人员分析皮层的神经电信号时发现，神经元放电活动的空间分布确实呈现出真实的旋转波特征——一股沿皮层表面传播的波动，以与子空间编码中相同的速度旋转。
“从原理上讲，数学子空间中的旋转并不必然对应皮层表面的物理旋转，”Miller指出，“但我们确实看到了这种一一对应。这提示我们，大脑可能正是通过这些 traveling waves（传播波）来进行模拟计算（analog computation）。相比数字计算，模拟计算的能效更高，而生物系统往往偏好能效高的方案。”
该研究不仅为注意力恢复提供了新的神经机制解释，也为理解大脑的“类模拟”计算方式提供了实验证据。
研究团队成员还包括Scott Brincat、Jacob Donoghue、Mikael Lundqvist 和 Meredith Mahnke。
参考文献：Tamal Batabyal et al, State–Space Trajectories and Traveling Waves Following Distraction, Journal of Cognitive Neuroscience (2025). DOI: 10.1162/jocn.a.2410
编辑：王洪
排版：李丽
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