导语

传统神经科学通常将大脑理解为一套由神经元和突触构成的复杂线路：突触保存信息，神经元通过脉冲传递信号。然而，这套框架很难解释一个基本问题：面对不断变化的环境，大脑如何在不足一秒的时间内重新组织数百万个神经元，使同一批神经元参与不同任务？这项发表于《Journal of Neuroscience》的理论研究提出，答案可能隐藏在长期被视为神经活动伴随现象的脑电波中。作者认为，突触、神经脉冲与脑波共同组成一个双向耦合的动力系统，脑波不仅协调神经元活动，还可能借助叠加和干涉完成并行的模拟计算，从而支持灵活认知乃至统一的意识体验。

关键词：脑波（brain waves）、模拟计算、混合选择性、空间计算、行波（traveling waves）、场效应耦合（ephaptic coupling）、意识

王璇丨作者

赵思怡丨审校

论文题目：Analog Cognition and Consciousness

论文链接：https://www.jneurosci.org/content/46/33/e0711262026

发表时间：2026 年 8 月 19 日

论文来源：Journal of Neuroscience

传统连接主义通常将大脑理解为由神经元和突触构成的信息处理网络：感觉信息沿突触连接逐级传递，突触强度的变化负责保存经验和记忆。这一框架能够解释许多自下而上的感觉加工过程，但当研究对象转向目标、规则和工作记忆时，一个关键问题随之出现：大脑如何在极短时间内，根据当前情境重新组织大量神经元？

图 1. 经典连接主义对皮层信息处理的描述。感觉信息沿皮层层级逐步整合，由简单特征形成物体和概念。

实验发现，许多皮层神经元并没有固定的单一功能，而是能够同时编码感觉刺激、行为选择、任务规则和时间顺序。同一个神经元对同一刺激的反应，也可能随任务情境发生改变。这种性质被称为非线性混合选择性。例如，一个神经元可能只在物体 A 首先出现时产生强烈反应，当物体 A 第二个出现时却保持沉默，它所编码的不是单一物体，而是物体身份与顺序情境的组合。

混合选择性使有限数量的神经元可以通过不同组合参与多种任务，显著扩展了大脑的表征能力。但它也提出了一个控制难题：如果同一个神经元能够加入多个功能网络，大脑如何迅速决定它此刻应当参与哪一种计算？

突触连接规定了神经元之间潜在的通信路径，却很难单独解释这种瞬时切换。正如 MIT 皮考尔学习与记忆研究所的官方新闻稿所指出的：突触构成了保存记忆、目标和知识的基础设施，但面对快速变化的感觉环境，大脑还需要一种能够在不足一秒内协调数百万个神经元的控制系统。Miller 及其同事认为，脑波可能承担了这一功能。

图 2. MIT 皮考尔研究所发布的脑波模拟计算理论宣传图。图片来源：MIT Picower Institute 官方 X 账号。

脑波是大量神经元活动产生的节律性电位变化。它们并不只是神经元放电之后留下的被动信号。神经元群体的同步活动形成局部电场，而这些电场又能够通过场效应耦合改变附近神经元的膜电位和放电时刻。由此，突触、神经脉冲和脑波形成一个反馈闭环，突触连接塑造神经元放电，放电参与产生脑波，脑波再反过来组织新的放电活动。

脑波通过空间图案和行波分配信息

作者提出的空间计算理论进一步解释了脑波如何组织多功能神经元。在许多皮层区域中，较高频率的伽马振荡（γ  oscillations，约 30 — 80 Hz）通常伴随更强的神经元放电，主要承担感觉信息的前馈传递，频率较低的阿尔法和贝塔振荡（α / β  oscillations，约 8 — 30 Hz）则更多携带目标、规则和记忆等反馈信息，参与自上而下的认知控制。

在这一框架下，阿尔法 / 贝塔活动会在皮层表面形成具有空间结构的抑制图案。作者将其比作一块临时模板：被模板覆盖的位置受到抑制，伽马活动和神经元放电不易出现。没有被覆盖的位置则保持开放，可以形成参与当前任务的神经元集合。大脑不需要逐一确定哪些神经元储存了某项信息，只需改变抑制模板的空间分布，就能从相互重叠的神经网络中选择不同的神经元组合。

脑波还会沿皮层表面传播，形成行波。当阿尔法 / 贝塔行波经过不同区域时，抑制图案随之移动，一部分神经元受到抑制，另一部分神经元则被释放出来。这种传播过程可能推动同一信息在不同神经表征之间转换。如图 3，同一个物体从感觉编码进入工作记忆的理论过程。圆形区域表示一片皮层，三角形表示神经元，黄色神经元及其连线代表当前参与信息编码的神经元集合，蓝紫色区域则代表阿尔法 / 贝塔振荡形成的抑制图案。感觉刺激刚刚出现时，右下方一组未受抑制的神经元被激活，用于编码物体的感觉特征。随着蓝紫色行波沿黑色箭头方向传播，原有神经元集合逐渐受到抑制，另一组神经元从抑制状态中释放出来，最终形成工作记忆表征。行波通过连续调整皮层不同位置的兴奋性，使神经群体活动从感觉编码状态转入工作记忆状态。换言之，行波不是简单传递信息，而是在传播过程中改变信息由哪些神经元表达。

图 3. 阿尔法 / 贝塔行波推动感觉表征向工作记忆表征转换的理论示意图。蓝紫色区域表示抑制性控制图案，黄色三角形及其连线表示当前参与编码的神经元集合。

脑波的叠加可能构成模拟计算

空间计算解释了脑波如何选择神经元，作者随后提出一个更进一步的观点：脑波的相互作用本身可能完成计算。模拟计算利用电压、位移或波动等连续物理量表示变量，并借助这些物理量的自然演化获得结果。两个波相遇时可以相互增强、相互抵消或形成新的空间图案，因此波的叠加和干涉可以直接实现信息组合。

在大脑中，不同目标、规则和情境可能对应不同的时空波形。当多个控制信号同时存在时，它们的叠加会形成新的兴奋—抑制图案，从而选择特定的神经元组合。底层突触连接不需要在每次任务切换时重新改变，参与信息表达的神经元群体却可以随着脑波图案迅速重组。

以一项同时包含物体出现顺序和行为报告方式的任务为例。一组脑波表示物体首先出现还是随后出现，另一组脑波表示被试需要进行匹配还是线索回忆。两组波叠加后，可以形成分别对应不同情境组合的活动图案。作者将这种由脑波传播、叠加和重组神经活动的过程称为时空计算。

图 4. 认知任务中的模拟计算示意图。分别表示顺序和报告方式的脑波相互叠加，形成与不同任务情境对应的神经活动图案。

波计算具有天然的并行性。物理介质中的不同位置能够同时演化，不需要像串行算法一样逐步处理每个变量。作者因此推测，脑波可能在扩展神经脉冲作用范围的同时减少额外放电需求，从而帮助解释人脑为何能够以较低能耗完成复杂计算。突触保存信息，脑波则帮助决定哪些信息在当前时刻被激活和组合。

进一步将这一理论延伸到意识。不同麻醉药虽然作用于不同的分子靶点，却都可能破坏大尺度脑波的相位协调，使有组织的皮层活动转变为彼此失调的慢波。作者据此推测，意识可能依赖脑波将分布在不同皮层区域的神经活动组织成相互联系的整体状态。当这种大尺度组织被破坏时，突触结构和局部神经活动仍然存在，但它们无法形成统一的认知状态。

不过，脑波完成模拟计算仍是一项有待检验的理论命题。现有研究已经证明脑波能够传播、调节神经元活动并参与认知控制，却尚未直接证明大脑利用波的叠加和干涉完成了特定认知运算。Miller 在 MIT 官方新闻稿中也明确表示：" 这是一种理论。我们希望通过寻找脑波模式中模拟计算的特征来检验它。" 因此，麻醉研究和场效应耦合为理论提供了支持，但不能单独证明脑波模拟计算就是意识产生的充分机制。

从神经线路走向跨尺度动力学

这项工作并非否定神经元和突触，而是将脑波加入认知与意识的物理图景。突触连接保存经验形成的长期结构，神经脉冲和高频振荡传递具体的感觉与行为信息，较慢的脑波则通过空间分布、传播和叠加，决定这些信息在何时、何处以及由哪些神经元表达。三者共同构成一个跨尺度的闭环动力系统。该理论将研究问题从哪些神经元在放电推进到皮层电活动如何把大量神经元组织为连贯的时空状态，并提出了可以被实验检验的方向：脑波的相位、传播路径与叠加方式能否预测神经表征和行为结果。只有获得这些直接证据，才能判断脑波究竟承担了认知计算，还是仅仅伴随认知过程出现。

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