科學家發(fā)現(xiàn)大腦中的旋轉風暴，結構竟類似Transformer注意力機制

2015 年，葉智文博士在美國做第一輪博士后，研究小鼠的視覺系統(tǒng)時，他用電極記錄到一種奇怪的腦電波振蕩：只在小鼠次級視覺皮層頻繁出現(xiàn)，初級視覺皮層卻幾乎沒有。這項工作最終未能發(fā)表，卻留下了一個謎團：這種振蕩為何在空間上分布得如此不均勻？其時空結構由哪些因素決定？

帶著這些問題，他于 2019 年加入了華盛頓大學（University of Washington）尼克·斯坦梅茨（Nick Steinmetz）教授的實驗室，借助更先進的設備，在第一年的探索中截取到了幾段有明顯時空規(guī)律的全皮層活動記錄。

2020 年底居家期間，葉智文與尼克在線上一起查看處理過的錄像，尼克卻突然驚呼：“看，有旋轉的波形！”葉智文仔細看了他指出的腦區(qū)，一個清晰的旋轉模式果然呈現(xiàn)在眼前。向 DeepTech 形容那個瞬間時，他感嘆道：“有意外，但更多是一種偶然中的必然。”

不過，這個令人雀躍的瞬間只是開始。經(jīng)歷被拒稿又轉投，以及近六年曲折的實驗驗證后，2026 年 6 月 18 日，團隊的研究成果終于發(fā)表在《科學》（Science）。

看見“風暴”

大腦中神經(jīng)元的放電常以波的形式從一個區(qū)域傳向另一個區(qū)域，這一模式被稱為行波（traveling waves）。行波在海龜、大鼠、猴和人類中廣泛存在，與感知、記憶、運動等功能密切相關。

行波有一種沿圓形軌跡傳播的特殊形態(tài)，稱為旋轉波（rotating waves），以往的記錄手段受限于小尺寸電極陣列和有限的成像視野，只能捕捉局部片段。

要看見這場在腦中旋轉的“風暴”，必須借助先進成像技術和高精度探針。用葉智文博士的話講，對全腦尺度動態(tài)的理解“需要擴大同時能夠記錄到的腦區(qū)及神經(jīng)元的數(shù)量，從量變達到質變”。

尼克教授的實驗室擁有寬場鈣成像設備，這有助于研究者更好分辨旋轉波與其他行波。團隊利用遺傳手段，使小鼠皮層神經(jīng)元表達鈣指示蛋白。神經(jīng)元活躍時，細胞內鈣濃度升高，蛋白會發(fā)出更強的熒光，再用高速相機俯拍得到每秒 35 幀的全皮層活動圖。論文數(shù)據(jù)顯示，用上一代鈣指示蛋白，旋轉波的出現(xiàn)率只有約 2%，換成新一代方案后，觀測到的旋轉波幀數(shù)占比躍升至 10%。

在清醒狀態(tài)下最顯著的 2~8 赫茲頻段，研究人員記錄到，神經(jīng)元的活躍高峰沿圓形軌跡依次傳遞，在全皮層上形成一個緩慢旋轉的漩渦。

研究人員在 15 只小鼠中發(fā)現(xiàn)了一致的旋轉波模式，并總結出幾個基本特征：旋轉波的中心幾乎總落在初級體感皮層（大腦皮層上處理觸覺等身體感覺的區(qū)域，SSp）的中部，類似于“臺風眼”；旋轉頻率約 5 赫茲，旋轉的角速度在不同半徑處保持穩(wěn)定，但線速度隨半徑增大，即外圈跑得更快；旋轉波總會依次掃過小鼠身體各部位在皮層上的映射，從下肢到上肢，從嘴到鼻子再到胡須區(qū)，如同鐘表指針在刻度之間的遍歷。

圖 | 連續(xù)幀的相位圖展示旋轉過程（來源：Science）

驗證旋轉波，就像打游戲通關

從觀察到的旋轉波出發(fā)，葉智文進入了一個人跡罕至的領域，這并非坦途，他用“游戲打通關”和“坐過山車”形容此后的驗證，雖然一直堅信旋轉波是有生物學意義的必然存在，但大部分的驗證都需要長期實驗和反復推敲。

為找到旋轉波的“風暴眼”總位于體感皮層中部的原因，葉智文轉向了對神經(jīng)元連接模式的分析，這是整個驗證過程中少數(shù)“一打就通”的幸運時刻。

團隊利用公開的單神經(jīng)元三維重建數(shù)據(jù)庫，分析了 435 個體感皮層神經(jīng)元的軸突走向。這些軸突沿切線方向有序排列，整體形成一個圓形連接架構，這一環(huán)路結構與旋轉波的傳播方向高度吻合。計算建模進一步確認：在虛擬神經(jīng)元網(wǎng)格上施加圓形偏置的連接，旋轉波的產(chǎn)生和穩(wěn)定性會顯著增強。

（來源：Science）

“風暴眼”恰好落在一塊被命名為“SSp-un”的區(qū)域，“un”代表“未分配”（unassigned）。大腦皮層從表面到深處分為 6 層，第 4 層是接收外部感覺信息的“入口”。典型體感皮層的第 4 層非常厚、神經(jīng)元密集、邊界清晰。但位于體感皮層正中間的 SSp-un，其第 4 層結構不清晰。這暗示它接收的直接感覺輸入可能較少，或組織方式不同，不具備處理某個具體身體部位感覺的功能。

談及為何會落在此處，葉智文博士推測，“SSp-un 的形成是腦部發(fā)育過程中神經(jīng)投射的建立與神經(jīng)動態(tài)共同作用的結果。”這一發(fā)現(xiàn)或將有助于揭開該區(qū)域的功能謎團，同時也證實，旋轉波的運轉基礎可能在發(fā)育早期就被“刻”入大腦。

旋轉波還呈現(xiàn)出一種精確的對稱性。大腦左右半球的體感皮層分別掌握著一份“身體地圖”，一側體感皮層出現(xiàn)旋轉波，另一側往往同時出現(xiàn)與之對稱的旋轉波：方向相反，時間同步。緊鄰體感皮層、負責發(fā)出運動指令的運動皮層也是如此。用一側的活動預測另一側的旋轉波方向，匹配率達 97.5%，這也與兩側半球間長程軸突投射的空間分布高度吻合。

團隊在拍攝皮層的同時，將四柄神經(jīng)像素探針（Neuropixels 2.0）插入皮層下的丘腦、紋狀體和中腦區(qū)域。這種高密度電極探針可同時記錄數(shù)百個神經(jīng)元的放電，尼克曾參與其開發(fā)。

為了最大化采集與皮層旋轉波相關的深部神經(jīng)元信號，團隊根據(jù)艾倫腦科學研究所（Allen Institute for Brain Science）的腦連接組圖譜中感覺區(qū)域向皮層下投射的密度分布，精確設計了探針的插入角度和深度。

結果顯示，僅憑深部神經(jīng)元的放電模式，就能逐幀預測出皮層旋轉波的旋轉方向，準確率顯著高于隨機水平。

上述實驗證實，旋轉波是一套由全腦共享的動態(tài)。了解相關性之后，為驗證體感皮層環(huán)路結構與旋轉波的關系，研究人員在體感皮層內部制造微小的雙側切口，切斷局部連接。與僅開顱的對照組相比，這一操作使體感皮層和運動皮層的旋轉波減少了 40% 至 65%，揭示了完整環(huán)路對旋轉波的關鍵作用。

體感皮層環(huán)路包括局部纖維、長程纖維和神經(jīng)元三大組成部分，切割不僅會切斷局部纖維，還有可能影響其他部分，甚至造成神經(jīng)元死亡。葉智文并未回避這一實驗方案的局限性，但他也表示，只要切割打破了體感皮層環(huán)路的完整性，就能證實這一環(huán)路對旋轉波的必要性。

旋轉波與行為的關聯(lián)

人們常用“頭腦風暴”形容一類調動思考、綜合多方意見做出決策的活動，葉智文則在腦內發(fā)現(xiàn)了一場真實存在的風暴。但旋轉波究竟只是大腦中無意義的“背景噪音”，還是真正參與了具體行為或決策？

研究人員為此設計了兩類實驗。被動刺激實驗證實了旋轉波對刺激的特異性反應：如果向小鼠左側胡須施加一股短促氣流，對側體感皮層隨即漾起一場旋轉波，且明顯偏向順時針，與此同時，同側并未發(fā)生顯著變化。

在主動行為實驗中，研究人員訓練小鼠完成視覺-運動兩選任務，要求小鼠看到屏幕圖案、轉動滾輪并得到喝水的獎勵。在成功試次中，大半徑旋轉波的頻率會顯著翻倍；且當視覺刺激恰好發(fā)生在 2~8 赫茲振蕩的波峰時刻，正確率也更高。而在失敗試次里，小鼠大腦沒有顯著變化。

（來源：Science）

有沒有一種可能，正確決策所需的活動恰好表現(xiàn)為旋轉波？這一問題目前沒有定論。這項任務依次調動了視覺、前肢和嘴部功能，對應的皮層區(qū)域恰好相鄰排成環(huán)形，活動沿環(huán)形路徑傳播與旋轉波的模式一致。葉智文博士指出，要證實旋轉波可協(xié)調運動，更直接的因果檢驗是直接操控旋轉波、觀察行為是否隨之改變，這將是他未來研究的方向之一。

此外，實驗發(fā)現(xiàn)旋轉波在低喚醒狀態(tài)下出現(xiàn)得更頻繁。但實驗數(shù)據(jù)無法排除此時 2~8 赫茲信號更強、更容易被檢測到的可能，對此，葉智文給出了一個初步驗證思路：對比喚醒狀態(tài)不同但振幅相近的時間段，再統(tǒng)計旋轉波發(fā)生率。

而未來要在溝回更復雜的人類皮層，或在其他更高頻的神經(jīng)活動中驗證旋轉波，還需借助更先進的電壓傳感器。

一場被定義為“幸運”的堅持

從預印本上線到正式見刊，這項研究的整個發(fā)表周期長達兩年半。

2023 年底，這項研究以預印本形式上線 bioRxiv，并同步投稿《自然》（Nature）。當時的版本論證了旋轉波的存在、軸突環(huán)形結構基礎、鏡像分布和全腦協(xié)調模式。兩位審稿人中，一位同意接收，另一位認為行為學意義是重中之重，要求補充。

葉智文用一年時間補做視覺-運動行為實驗，但新數(shù)據(jù)帶來了新問題：在視覺任務中，旋轉波中心略微向視覺皮層方向偏移，不再處于之前描述的體感皮層正中心。審稿人對此提出進一步質疑，編輯最終決定拒稿。

收到拒信后，團隊并未氣餒，葉智文告訴 DeepTech：“預印本受到了很多同行的高度認可。我也對自己的數(shù)據(jù)和課題影響力非常有信心。”他與尼克商討后決定轉投《科學》（Science），四位審稿人全部認可論文的新穎度。

為回應其中一位審稿人的更高要求，他們補充了切割實驗和胡須刺激實驗。審稿人還指出，從數(shù)學定義出發(fā)，標題從預印本的“螺旋波”（spiral waves）改為“旋轉波”（rotating waves）更準確。葉智文的團隊接受了這一意見，文章最終順利發(fā)表。

在學界，找到一個極具突破性的發(fā)現(xiàn)，卻無法立即與同行分享，這是一個煎熬的過程，有時還會面臨被搶發(fā)的問題。但葉智文表示：“由于這一發(fā)現(xiàn)非常獨特，且數(shù)據(jù)質量非常高，其他團隊并沒有競爭優(yōu)勢；在審稿過程中，的確有相關文章陸續(xù)發(fā)表，不過都是起到了相輔相成的作用。”

其間，尼克教授作為實驗室負責人，頂著終身教職評審的壓力和美國政府削減科研經(jīng)費的困境，持續(xù)給予支持，也讓葉智文“感到非常幸運”。

（來源：受訪者提供）

大腦的“注意力機制”

論文在討論部分提出了一個頗具啟發(fā)性的類比：旋轉波為神經(jīng)活動施加的時空結構，在概念上類似于 Transformer 架構的自注意力機制。兩者都為序列中的每個元素提供“位置”和“上下文”信息，支持高效的編碼和預測。旋轉波依次掃過身體各部位代表區(qū)，天然給每個感覺模態(tài)打上時間戳，與 Transformer 的位置編碼有概念上的相似。

但二者也存在差異：Transformer 的注意力是學習獲得的，可以跳躍式關注任意位置；旋轉波則受限于物理連接，必須逐步傳播。但這種約束未必是劣勢。人腦總能耗約 20 瓦，遠低于 AI 基礎設施的數(shù)千瓦量級，葉智文指出，“生活中大部分的信息和運動都是時空連續(xù)的。構建具有時空連續(xù)性的網(wǎng)絡結構，或許有助于優(yōu)化學習時間和能耗。”

在他看來，“生物大腦經(jīng)過了漫長的演化，而 Transformer 還只是近年來一個新的概念，還有很長的優(yōu)化過程。”例如，哈佛大學的安迪·凱勒（Andy Keller）與阿姆斯特丹大學的馬克斯·韋林（Max Welling）等人已構建出將行波動力學嵌入隱藏狀態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡，并證明這類網(wǎng)絡在序列學習任務中學得更快、誤差更低。

2026 年 7 月，葉智文將加入深圳醫(yī)學科學院（SMART）的神經(jīng)調控與認知研究所，組建獨立課題組。談及回國的原因，他表示，除了美國當下科研經(jīng)費收縮和移民政策變動，更關鍵的因素在于，中國機構的科研宗旨和支持力度比肩國際最頂尖的高校研究院，且系統(tǒng)神經(jīng)科學發(fā)展得很好，“很多分支領域已達到或趕超西方權威”。

他帶回了一套從全皮層成像到跨腦區(qū)電生理的完整技術體系，以及一個剛寫出開頭的科學問題。下一步，葉智文計劃繼續(xù)研究旋轉波對感覺與運動的編排，并通過實驗進一步回答能否用定向干預改變行為和學習等問題，希望最終在神經(jīng)數(shù)據(jù)中提取學習、記憶及感覺運動的基本規(guī)律，并為人工智能、具身機器人和神經(jīng)疾病的研究做出開拓性的貢獻。

至于從零建立一間實驗室的挑戰(zhàn)，這位經(jīng)歷過兩輪博士后、每次都和同事從無到有“打江山”的青年研究者并不畏懼：“在一個空白的地方，你可以搭建屬于自己的文化、歷史和未來。”

參考內容：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx1369

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成