麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所的三位科學家在《神經科學雜誌》上發表了一項新理論，試圖解釋大腦如何產生認知與意識：大腦通過節律性神經活動的行波，協調靈活的神經網路並執行模擬計算
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該論文的資深作者、皮考爾研究所教授厄爾·K·米勒指出，將大腦比作"電路"的說法並不完整。誠然，大腦中物理連接的神經迴路為儲存記憶、呈現需求與目標提供了基礎架構。但當我們需要在瞬息萬變的感官環境中靈活調用這些知識時，僅靠重新連接"突觸"這一相對緩慢的化學過程是遠遠不夠的。
米勒及其同事援引其實驗室和其他多個實驗室多年來的實驗證據指出，大腦需要一套能在極短時間內協調數百萬神經元處理資訊的控制系統。長期以來被視為大規模神經元同步節律振盪的腦波，正承擔著這一關鍵功能。
米勒表示："迴路和突觸固然重要，這是基礎，但還有更多機制在發揮作用。大腦會產生波，而波的動力學是協調和執行計算的高效方式。"
與數字電路通過順序開關逐步完成運算不同，模擬計算可藉助波的干涉同時並行處理多個運算，不僅效率更高，局部聚焦的行波更是大腦中普遍存在的特徵。
米勒與共同作者、米勒實驗室研究科學家史考特·L·布林卡特和傑斐遜·E·羅伊在論文中寫道："大腦充分利用了自身的物理特性。"
這一新理論不僅為認知與意識提供了解釋，還強調了在臨床治療中重視腦波的重要性。腦波可通過非侵入性手段加以調控，這一特性具有重要的實踐價值。
米勒說："基於腦波動力學開發治療方法，不僅是一個機遇，更是一種責任。"其實驗室目前正參與一項研究腦波與自閉症關係的合作項目。
模擬計算論證
為論證大腦通過腦波協調神經元以產生認知與意識，研究者首先從一個已被廣泛證實的現象出發：許多神經元並非只承擔單一功能，而是同時響應多種資訊和情境，實質上同時參與多個功能網路，這一特性被稱為"混合選擇性"。米勒團隊多年來認為，這賦予了大腦強大的計算能力，但也隨之帶來一個問題：大腦究竟如何以如此快的速度和靈活性，協調這些相互重疊的網路，實現我們所依賴的敏捷思維？
經過大量研究，米勒和許多其他神經科學家得出的答案是：腦波組織神經元集群來處理資訊。米勒已證實，不同頻率的腦波主導不同的認知過程：較慢的"α波"和"β波"代表記憶與目標，並對代表傳入感官資訊的較快"γ波"進行調控。
新理論認為，α/β控制波源於神經迴路中神經元的協調放電，這些神經元通過"突觸"相互連接，編碼儲存的記憶與目標。論文寫道："突觸儲存表徵，而波的動力學則有助於決定哪些表徵在特定時刻處於激活狀態。"
在米勒實驗室近期的研究中，團隊發現了新的證據：腦波在由神經元放電產生的同時，還能通過一種稱為"電場耦合"的機制迅速擴大影響，直接協調神經元放電。電場可以極快的速度發揮這種協調作用。
該理論的另一核心要素——同樣已獲米勒實驗室實驗驗證——是α/β波能夠在空間和時間兩個維度上施加控制：在空間上影響大腦皮層的局部區域，在時間上沿皮層傳播。β波本質上起到移動模板的作用，決定γ波在何時何地處理感官資訊，以及哪些神經元集群參與其中。綜合來看，這表明大腦在進行"時空計算"；在波相交之處，波可以疊加或相消，從而實現模擬計算。
米勒承認，其實驗室下一步的目標是提供模擬計算正在發生的直接證據。他表示："這是一個理論，我們將通過在腦波模式中尋找模擬計算的特徵來對其進行驗證。"
與意識的關聯
該文章指出，意識"在這些動態波形使大腦皮層進入有組織的、全局整合狀態時湧現，這種狀態天然地關聯並影響著廣泛的神經活動"。
將腦波動力學與意識相關聯的最有力證據，來自米勒與皮考爾研究所同事埃默里·N·布朗共同開展的全身麻醉研究。布朗既是麻省理工學院的學院教授，也是麻省總醫院的麻醉師和哈佛醫學院的教授。兩個實驗室的研究顯示，三種分子作用機制各不相同的藥物，均以相似的方式破壞腦波動力學，從而產生無意識狀態。
論文寫道："意識的產生，與其說取決於特定的受體或細胞類型，不如說更多地依賴於大規模腦波組織的完整性。"
換言之，與認知類似，意識同樣依賴於大腦通過腦波高效地進行自我組織。
研究者總結道："電場動力學為跨皮層網路的資訊組織與協調提供了一種低開銷的基底。鑑於進化對於最大化單位能量計算量存在強大的選擇壓力，若進化沒有利用這一內置的模擬計算基底，才真正令人意外。"
本研究得到了自由同行基金會、MIT皮考爾學習與記憶研究所、美國陸軍研究辦公室、美國海軍研究辦公室、MURI資助、美國國立衛生研究院及西蒙斯社會腦中心的支持。
Q&A
Q1：腦波理論是如何解釋認知和意識產生的？
A：該理論認為，大腦通過節律性神經活動的行波來協調神經元網路並執行模擬計算。較慢的α波和β波代表儲存的記憶與目標，對較快的γ波進行調控，後者負責處理實時感官資訊。當這些波形使大腦皮層進入有組織的全局整合狀態時，意識便隨之湧現。腦波的干涉還能實現並行的模擬計算，效率遠高於逐步執行的數字計算方式。
Q2：全身麻醉的研究如何支持腦波與意識的關聯？
A：MIT皮考爾研究所的研究發現，三種分子機制完全不同的麻醉藥物，都能以相似的方式破壞大腦的腦波動力學，進而導致意識喪失。這說明意識的產生並不依賴於某種特定的受體或細胞類型，而是更多地依賴於大規模腦波組織的整體性。這一發現有力支持了腦波動力學是意識產生核心機制的觀點。
Q3：腦波理論對臨床治療有什麼意義？
A：該理論提出，腦波可以通過非侵入性手段加以調控，因此為多種神經與精神疾病的治療提供了新思路。論文作者米勒教授表示，基於腦波動力學開發治療方案不僅是機遇，更是一種責任。其實驗室目前正參與一項將腦波研究應用於自閉症治療的合作項目，未來或將推動更多神經疾病的非侵入性干預方法。
