麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的三位科学家在《神经科学杂志》上发表了一项新理论，试图解释大脑如何产生认知与意识：大脑通过节律性神经活动的行波，协调灵活的神经网络并执行模拟计算。
该论文的资深作者、皮考尔研究所教授厄尔·K·米勒指出，将大脑比作"电路"的说法并不完整。诚然，大脑中物理连接的神经回路为存储记忆、呈现需求与目标提供了基础架构。但当我们需要在瞬息万变的感官环境中灵活调用这些知识时，仅靠重新连接"突触"这一相对缓慢的化学过程是远远不够的。
米勒及其同事援引其实验室和其他多个实验室多年来的实验证据指出，大脑需要一套能在极短时间内协调数百万神经元处理信息的控制系统。长期以来被视为大规模神经元同步节律振荡的脑波，正承担着这一关键功能。
米勒表示："回路和突触固然重要，这是基础，但还有更多机制在发挥作用。大脑会产生波，而波的动力学是协调和执行计算的高效方式。"
与数字电路通过顺序开关逐步完成运算不同，模拟计算可借助波的干涉同时并行处理多个运算，不仅效率更高，局部聚焦的行波更是大脑中普遍存在的特征。
米勒与共同作者、米勒实验室研究科学家斯科特·L·布林卡特和杰斐逊·E·罗伊在论文中写道："大脑充分利用了自身的物理特性。"
这一新理论不仅为认知与意识提供了解释，还强调了在临床治疗中重视脑波的重要性。脑波可通过非侵入性手段加以调控，这一特性具有重要的实践价值。
米勒说："基于脑波动力学开发治疗方法，不仅是一个机遇，更是一种责任。"其实验室目前正参与一项研究脑波与自闭症关系的合作项目。
模拟计算论证
为论证大脑通过脑波协调神经元以产生认知与意识，研究者首先从一个已被广泛证实的现象出发：许多神经元并非只承担单一功能，而是同时响应多种信息和情境，实质上同时参与多个功能网络，这一特性被称为"混合选择性"。米勒团队多年来认为，这赋予了大脑强大的计算能力，但也随之带来一个问题：大脑究竟如何以如此快的速度和灵活性，协调这些相互重叠的网络，实现我们所依赖的敏捷思维？
经过大量研究，米勒和许多其他神经科学家得出的答案是：脑波组织神经元集群来处理信息。米勒已证实，不同频率的脑波主导不同的认知过程：较慢的"α波"和"β波"代表记忆与目标，并对代表传入感官信息的较快"γ波"进行调控。
新理论认为，α/β控制波源于神经回路中神经元的协调放电，这些神经元通过"突触"相互连接，编码存储的记忆与目标。论文写道："突触存储表征，而波的动力学则有助于决定哪些表征在特定时刻处于激活状态。"
在米勒实验室近期的研究中，团队发现了新的证据：脑波在由神经元放电产生的同时，还能通过一种称为"电场耦合"的机制迅速扩大影响，直接协调神经元放电。电场可以极快的速度发挥这种协调作用。
该理论的另一核心要素——同样已获米勒实验室实验验证——是α/β波能够在空间和时间两个维度上施加控制：在空间上影响大脑皮层的局部区域，在时间上沿皮层传播。β波本质上起到移动模板的作用，决定γ波在何时何地处理感官信息，以及哪些神经元集群参与其中。综合来看，这表明大脑在进行"时空计算"；在波相交之处，波可以叠加或相消，从而实现模拟计算。
米勒承认，其实验室下一步的目标是提供模拟计算正在发生的直接证据。他表示："这是一个理论，我们将通过在脑波模式中寻找模拟计算的特征来对其进行验证。"
与意识的关联
该文章指出，意识"在这些动态波形使大脑皮层进入有组织的、全局整合状态时涌现，这种状态天然地关联并影响着广泛的神经活动"。
将脑波动力学与意识相关联的最有力证据，来自米勒与皮考尔研究所同事埃默里·N·布朗共同开展的全身麻醉研究。布朗既是麻省理工学院的学院教授，也是麻省总医院的麻醉师和哈佛医学院的教授。两个实验室的研究显示，三种分子作用机制各不相同的药物，均以相似的方式破坏脑波动力学，从而产生无意识状态。
论文写道："意识的产生，与其说取决于特定的受体或细胞类型，不如说更多地依赖于大规模脑波组织的完整性。"
换言之，与认知类似，意识同样依赖于大脑通过脑波高效地进行自我组织。
研究者总结道："电场动力学为跨皮层网络的信息组织与协调提供了一种低开销的基底。鉴于进化对于最大化单位能量计算量存在强大的选择压力，若进化没有利用这一内置的模拟计算基底，才真正令人意外。"
本研究得到了自由同行基金会、MIT皮考尔学习与记忆研究所、美国陆军研究办公室、美国海军研究办公室、MURI资助、美国国立卫生研究院及西蒙斯社会脑中心的支持。
Q&A
Q1：脑波理论是如何解释认知和意识产生的？
A：该理论认为，大脑通过节律性神经活动的行波来协调神经元网络并执行模拟计算。较慢的α波和β波代表存储的记忆与目标，对较快的γ波进行调控，后者负责处理实时感官信息。当这些波形使大脑皮层进入有组织的全局整合状态时，意识便随之涌现。脑波的干涉还能实现并行的模拟计算，效率远高于逐步执行的数字计算方式。
Q2：全身麻醉的研究如何支持脑波与意识的关联？
A：MIT皮考尔研究所的研究发现，三种分子机制完全不同的麻醉药物，都能以相似的方式破坏大脑的脑波动力学，进而导致意识丧失。这说明意识的产生并不依赖于某种特定的受体或细胞类型，而是更多地依赖于大规模脑波组织的整体性。这一发现有力支持了脑波动力学是意识产生核心机制的观点。
Q3：脑波理论对临床治疗有什么意义？
A：该理论提出，脑波可以通过非侵入性手段加以调控，因此为多种神经与精神疾病的治疗提供了新思路。论文作者米勒教授表示，基于脑波动力学开发治疗方案不仅是机遇，更是一种责任。其实验室目前正参与一项将脑波研究应用于自闭症治疗的合作项目，未来或将推动更多神经疾病的非侵入性干预方法。
