麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所（Picower Institute for Learning and Memory）的三位科学家近日在《神经科学杂志》（The Journal of Neuroscience）发表了一项新理论，试图解释大脑如何产生认知和意识。

该理论认为，大脑利用节律性神经活动形成的传播波（traveling waves），协调灵活的神经网络，并通过**类比计算（analog computation）**处理信息。

论文高级作者、麻省理工学院皮考尔教授Earl K. Miller表示，把大脑仅仅理解为由“回路”构成是不完整的。

当然，大脑中物理连接形成的神经回路为储存记忆以及表征当前需求和目标提供了基础设施。但当我们需要在现实世界不断变化、快速而不可预测的感官环境中灵活调用这些知识时，仅仅依赖改变神经回路连接的化学过程——也就是突触重构——是不够的，因为这一过程相对缓慢。

相反，大脑需要一种能够在极短时间内协调数百万神经元的控制系统。

Miller及其同事认为，脑波正承担着这一关键任务。脑波长期以来被理解为大规模神经元群体同步产生的节律性波动，而来自Miller实验室以及其他研究团队多年的实验研究表明，脑波可以协调神经元群体的信息处理。

Miller说：“回路和突触非常重要，而且是基础。但还有更多的事情正在发生。大脑会产生脑波，而脑波动力学是一种高度高效的协调和执行计算的方式。”

数字电路通过连续的开关和逻辑门，一步一步地完成计算；而类比计算则可以通过波的干涉实现，同时处理多个计算过程。这不仅更加高效，而且研究人员指出，局部聚焦的传播波恰恰也是大脑中普遍存在的一种现象。

Miller及其合作者Scott L. Brincat和Jefferson E. Roy写道：

“大脑利用了自身的物理规律。”

这项新理论的重要性不仅在于它为认知和意识提供了一种解释，也在于它提出了脑波可能具有临床治疗价值的可能性。更重要的是，脑波可以通过非侵入性方式进行调节。

Miller表示：“开发基于脑波动力学的治疗方法不仅是一种机会，也是一种责任。”

他的实验室目前正在参与一项研究脑波与自闭症关系的合作项目。

建立类比计算的理论框架

为了论证大脑利用脑波协调神经元，并由此产生认知和意识，研究人员首先从一个如今已经得到充分证实的现象出发：

许多神经元并不只承担单一功能。

相反，它们会对多种线索和情境产生响应，也就是说，它们可以同时参与多个功能网络。这种特性被称为**“混合选择性”（mixed selectivity）**。

多年来，Miller及其同事一直认为，这种特性赋予了大脑巨大的计算能力。但与此同时，它也提出了一个问题：

大脑究竟如何如此快速而灵活地组织这些相互重叠的神经网络，从而产生我们所依赖的灵活思维？

经过大量研究，Miller及其他神经科学家逐渐认为，答案可能在于：

脑波能够组织神经元群体，使其协同处理信息。

Miller此前已经证明，不同频率的脑波参与调控工作记忆、预测编码等认知过程。

相对较慢的α波和β波可以表征记忆和目标，并调节更快速的γ波；而γ波则代表和传递来自外界的感觉信息。

这一新理论进一步提出，α/β控制波来源于神经回路中神经元的协调放电，而这些神经回路通过被称为突触的连接点相互连接，并编码储存的记忆和目标。

研究人员写道：

“突触储存表征，而波动力学则帮助决定，在任何特定时刻哪些表征处于激活状态。”

Miller实验室近期的一些研究还发现，尽管脑波源于神经元放电，但脑波可以迅速增强，并通过一种由电场介导的过程——电场介导的神经元耦合（ephaptic coupling）——直接影响和协调神经元的放电。

重要的是，电场可以非常快速地发挥这种协调作用。

这一理论的另一个关键组成部分是，α/β波能够在空间和时间两个维度上发挥控制作用。Miller实验室的实验已经显示，这些脑波可以影响皮层的局部区域，同时还可以沿着皮层传播。

从本质上说，β波就像一种移动的模板（mobile stencils），决定γ波在何时、何地处理感觉信息，以及哪些神经元群体参与其中。

综合来看，这些发现表明，大脑可能进行的是一种**“时空计算”（spatiotemporal computing）**。

当不同的脑波相互交汇时，它们可以发生叠加和抵消，从而实现类比计算。

Miller也承认，下一步需要提供直接证据，证明这种类比计算确实发生在大脑中。

他说：“这是一种理论。我们希望通过寻找脑波模式中类比计算的特征来对其进行检验。”

与意识的联系

这篇论文进一步提出，当这些动态脑波模式使大脑皮层进入一种有组织、全局整合的状态时，意识就可能由此产生。在这种状态下，大范围的神经活动能够自然地相互连接并产生影响。

将脑波动力学与意识联系起来的一个重要证据，来自Miller与皮考尔研究所同事Emery N. Brown开展的全身麻醉研究。

Brown是麻省理工学院研究所教授，同时也是麻萨诸塞州总医院的麻醉医师和哈佛医学院教授。

他们的研究发现，三种作用于不同分子机制的麻醉药，最终都能够以类似的方式破坏脑波动力学，并由此产生意识丧失。

研究人员因此写道：

“意识与其说依赖于特定的受体或细胞类型，不如说更依赖于大尺度脑波组织的完整性。”

换句话说，与认知一样，意识可能依赖于大脑利用脑波实现高效组织和协调的能力。

研究人员最后总结道：

“电场动力学为在皮层网络之间组织和协调信息提供了一种低开销的基础。考虑到进化过程中存在最大化单位能量计算能力的强大压力，如果进化没有利用这一内置的类比计算基础，那么反而会令人感到意外。”

参考文献：Earl K. Miller et al, Analog Cognition and Consciousness, Journal of Neuroscience (2026). DOI: 10.1523/jneurosci.0711-26.2026

编辑：王洪

排版：李丽