我们称之为脑电波的电振荡已经吸引了科学家和公众一个多世纪。但它们的功能——甚至它们是否具有功能，而不仅仅是像引擎的嗡嗡声一样反映大脑活动——仍然存在争议。许多神经科学家假设，如果脑电波有任何作用，那就是在不同位置同步振荡。然而，越来越多的研究表明，许多脑电波实际上是“行进波”，它们像海浪一样在脑中物理移动。
现在，哥伦比亚大学一个团队在神经科学家约书亚·雅各布斯 (Joshua Jacobs)的领导下进行的一项新研究表明，行进波在人类大脑皮层（高级认知功能的所在地）中广泛存在，并且它们的组织性会随着大脑执行任务的良好程度而提高。这表明这些波与行为相关，并支持了之前的研究，这些研究表明它们是一种重要但被忽视的大脑机制，有助于记忆、感知、注意力和甚至意识。
脑电波最初是使用脑电图 (EEG) 技术发现的，该技术涉及将电极放置在头皮上。研究人员已经注意到不同频率范围内的活动，从δ波（0.5 到 4 赫兹）到γ波（25 到 140 赫兹）。最慢的波发生在深度睡眠期间，频率增加与意识和注意力的提高有关。解释脑电图数据很困难，因为它们精确定位活动位置的能力较差，而且穿过头部会使信号模糊。这项新的研究于 6 月发表在Neuron期刊上，使用了更新的技术，称为皮层脑电图 (ECoG)。这涉及将电极阵列直接放置在大脑表面，最大限度地减少失真并大大提高空间分辨率。
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科学家们已经提出了脑电波的许多可能作用。一个主要的假设认为，同步振荡用于将不同位置的信息“绑定”在一起，使其与同一个“事物”相关，例如视觉对象的不同特征（形状、颜色、运动等）。一个相关的想法是它们促进了区域之间的信息传递。但是，这些假设要求脑电波是同步的，产生“驻波”（类似于两个人上下摆动跳绳），而不是行进波（如人群在体育赛事中做“人浪”）。这一点很重要，因为行进波具有不同的特性，例如，可以表示有关其他大脑位置过去状态的信息。它们像声音在空气中一样在脑中物理传播的事实使它们成为将信息从一个地方移动到另一个地方的潜在机制。
这些想法已经存在了几十年，但大多数神经科学家对此关注甚少。一个可能的原因是，直到最近，大多数先前关于行进波的报告（尽管也有例外）仅仅描述了这些波，而没有确定它们的意义。“如果你问普通的系统神经科学家，他们会说这是一种副现象[就像引擎的嗡嗡声]，”索尔克生物研究所的计算神经科学家特里·塞诺夫斯基 (Terry Sejnowski)说，他没有参与这项新研究。“而且由于它从未直接与任何行为或功能联系起来，因此它并不重要。”
研究人员使用的工具也可能发挥了作用。当今主流神经科学的根基在于使用针状微电极一次研究一个神经元的行为。该领域的先驱研究人员注意到，神经元放电的时间从一个实验试验到另一个实验试验有所不同。他们得出结论，这种时间安排一定不重要，并开始结合来自多个试验的反应，以产生平均“放电率”。这成为量化神经活动的标准方法，但变异性可能来自神经元在振荡周期中的位置，因此这种做法忽略了揭示行进波所需的时间信息。“概念框架是从单个神经元自身在做什么中发展出来的，”塞诺夫斯基说，但“大脑是通过相互作用的神经元群体来工作的。”由于行进波包含分布在大脑中的许多神经元的活动，因此单神经元技术看不到它们。但在过去十年中，出现了允许同时监测多个神经元的新技术。“这给了我们非常不同的景象，”塞诺夫斯基说。“我们第一次拥有了工具和技术来了解真正发生的事情——但这将需要一代人的时间才能被已建立的神经科学界接受。”
光学方法，如电压敏感染料，允许研究人员同时可视化数千个神经元的电变化，但由于它们带来的风险，无法在人类身上使用。然而，ECoG 通常用于癫痫患者以研究癫痫发作。因此，这项新研究背后的研究人员招募了 77 名植入了 ECoG 阵列的癫痫患者，并开始寻找行进波。他们首先寻找显示相同频率振荡的电极簇。近三分之二的电极是这些簇的一部分，这些簇存在于 96% 的患者中（频率从 2-15 赫兹，跨越 4-8 赫兹的 θ 波段和 8-12 赫兹的 α 波段）。研究人员接下来通过分析振荡的时间来评估哪些簇代表真正的行进波。如果连续振荡是行进波的一部分，则每个振荡将略微延迟或提前，具体取决于行进方向。（想想人群中的人浪如何以轻微的延迟彼此跟随。）检测到的簇中有三分之二是行进波，从皮层的后部移动到前部。这些涉及近一半的电极，并且发生在患者大脑的所有叶和两个半球中。
该团队接下来给参与者布置了一项工作记忆任务，并发现人们在被提示回忆信息后半秒，其额叶和颞叶中的行进波变得更有组织性。这些波从朝各个方向移动变为主要协同移动。重要的是，它们这样做在多大程度上取决于参与者的反应速度。“更一致的波对应于更好的任务表现，”雅各布斯说。“这提出了一种测量大脑活动以理解认知的新方法，这或许可以产生新的、改进的脑机接口。”（BCI 是将人脑连接到执行某些任务的机器的设备，例如移动假肢。）
这些发现应有助于消除一些研究人员对这种波的重要性的挥之不去的疑虑。“这篇文章是对皮层行进波研究的有力贡献，补充了先前关于它们在人类认知中的作用的工作，”比利时鲁汶大学的心理学家大卫·亚历山大 (David Alexander)说，他没有参与这项工作。“这真的会让人们不再担心这些波是信号穿过颅骨模糊的伪影。”他还说，作者对这些发现的新颖性提出了不合理的说法，并且未能承认之前的一些研究。 “先前关于行进波的工作表明，它们是在工作记忆任务期间诱发的，”他说，并指出 2002 年的一项脑电图研究发现 θ 波方向反转的时间与记忆表现相关。有趣的是，亚历山大本人于 2009 年发表的一项脑电图研究发现，与健康个体相比，经历过首次精神分裂症发作的人在工作记忆任务期间，从头部前部到后部移动的波较少，这表明行进波行为的差异可能与精神症状有关。他还声称，该团队用于评估行进波的方法与他在 2016 年的一项研究中使用的方法相似。“亚历山大的工作真的很有趣，但不清楚他的发现是否与我们论文中的信号相同，”雅各布斯指出。“他报告的模式实际上涉及整个大脑，而我们的发现仅限于特定区域。”雅各布斯还指出了记录技术和记录信号性质的差异。
确认行进波的重要性为神经科学创造了新的视野。“发现如此广泛的振荡是行进波表明它们涉及跨不同大脑区域的协调活动，”雅各布斯说。“这开辟了新的关键研究领域，例如理解这种协调到底由什么组成。”他认为，至少在当前研究的背景下，这些波会传播信息。
另一个观点认为，波通过在皮层区域反复移动，调节神经元的敏感性，从而在例如大脑的视觉处理区域扫过“注意力的探照灯”。“行进波的概念与你如何将皮层维持在最佳状态密切相关，在这种状态下，它对其他输入最敏感并且能够最佳地发挥作用，”塞诺夫斯基说。对行进波的兴趣无疑将继续增加。“你现在看到的是从一个概念框架到一个全新框架的转变，”他补充道。“这是一次范式转变。”