人腦容易分心，但也具備驚人的“自我校正”能力——能在分心后重新集中注意力。麻省理工學(xué)院（MIT）Picower學(xué)習(xí)與記憶研究所的最新動物實驗研究揭示了這一過程背后的神經(jīng)機制：一種以旋轉(zhuǎn)腦波形式出現(xiàn)的協(xié)調(diào)神經(jīng)活動，會讓大腦“回歸正軌”，恢復(fù)任務(wù)專注。

“這種旋轉(zhuǎn)波就像牧羊人一樣，將皮層的活動重新引導(dǎo)回正確的計算路徑。”研究負責人、MIT腦與認知科學(xué)系Picower講席教授Earl K. Miller表示。該研究的第一作者是該研究所博士后研究員Tamal Batabyal，論文發(fā)表于《Journal of Cognitive Neuroscience》。

大腦中的“數(shù)學(xué)旋轉(zhuǎn)”

實驗中，研究人員讓動物執(zhí)行一個視覺工作記憶任務(wù)。在任務(wù)過程中，動物有時會受到兩種不同類型的干擾。正如預(yù)期的那樣，干擾會影響其任務(wù)表現(xiàn)——導(dǎo)致錯誤或反應(yīng)時間延長。與此同時，研究團隊記錄了前額葉皮層中數(shù)百個神經(jīng)元的電活動，這一腦區(qū)負責高級認知功能。

為了分析神經(jīng)活動在任務(wù)執(zhí)行過程中的變化，研究人員采用了一種名為“subspace coding（子空間編碼）”的數(shù)學(xué)方法。這種方法可以量化并可視化神經(jīng)元群體活動的協(xié)調(diào)程度。結(jié)果顯示，皮層神經(jīng)元的活動呈現(xiàn)出高度協(xié)調(diào)的模式。

“這就像一群椋鳥在天空中飛行形成的云集隊形。”Miller形象地說。

在干擾出現(xiàn)后，子空間中的神經(jīng)活動軌跡出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)運動，就像“鳥群”在被打亂后重新聚攏一樣。這種旋轉(zhuǎn)似乎代表了神經(jīng)活動狀態(tài)從分心中恢復(fù)的過程。

研究進一步發(fā)現(xiàn)，這種“旋轉(zhuǎn)”程度與動物的任務(wù)表現(xiàn)密切相關(guān)。當干擾未導(dǎo)致錯誤時，神經(jīng)活動軌跡完成了一個完整的圓形路徑，表明大腦完全恢復(fù)了專注；而當干擾導(dǎo)致錯誤時，軌跡平均偏離了30度，未能形成完整的閉合循環(huán)。此外，在出錯的試次中，這一旋轉(zhuǎn)過程的速度較慢，說明恢復(fù)效率不足。

研究還發(fā)現(xiàn)，如果干擾和行為反應(yīng)之間的間隔時間更長，動物的恢復(fù)效果更好。也就是說，大腦需要一定時間來“畫完這個圓”，從數(shù)學(xué)意義上重新回到正確的行為軌跡。

抽象旋轉(zhuǎn)與真實腦波的對應(yīng)

值得注意的是，這種“旋轉(zhuǎn)”并不僅僅是數(shù)學(xué)模型中的抽象現(xiàn)象。當研究人員分析皮層的神經(jīng)電信號時發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元放電活動的空間分布確實呈現(xiàn)出真實的旋轉(zhuǎn)波特征——一股沿皮層表面?zhèn)鞑サ牟▌樱耘c子空間編碼中相同的速度旋轉(zhuǎn)。

“從原理上講，數(shù)學(xué)子空間中的旋轉(zhuǎn)并不必然對應(yīng)皮層表面的物理旋轉(zhuǎn)，”Miller指出，“但我們確實看到了這種一一對應(yīng)。這提示我們，大腦可能正是通過這些 traveling waves（傳播波）來進行模擬計算（analog computation）。相比數(shù)字計算，模擬計算的能效更高，而生物系統(tǒng)往往偏好能效高的方案?！?/p>

該研究不僅為注意力恢復(fù)提供了新的神經(jīng)機制解釋，也為理解大腦的“類模擬”計算方式提供了實驗證據(jù)。

研究團隊成員還包括Scott Brincat、Jacob Donoghue、Mikael Lundqvist 和 Meredith Mahnke。

參考文獻：Tamal Batabyal et al, State–Space Trajectories and Traveling Waves Following Distraction,?Journal of Cognitive Neuroscience?(2025).?DOI: 10.1162/jocn.a.2410

編輯：王洪

排版：李麗