頭腦很容易偏離正軌。大腦還具有轉移注意力的驚人能力。麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所的研究人員發現了這個過程是如何運作的。在一項新的動物研究中，他們發現以波的形式出現的同步神經活動在大腦周圍旋轉。幫助引導思緒回到手頭的任務上。
“旋轉波就像牧羊人一樣，引導大腦皮層回到正確的計算路徑上，”該研究的資深作者、Picower 研究所和麻省理工學院大腦與認知科學系的 Picower 教授 Earl K. Miller 說。
Picower 研究所的博士後研究員 Tamal Batabyal 領導了這項研究。 11月3日發表在雜誌上 認知神經科學雜誌。
數學上的“旋轉”…
在實驗中，動物執行視覺記憶任務。與此同時，時不時會遇到兩種干擾中的一種。正如預期的那樣，這些干擾會影響生產力。當動物需要做出反應時，這有時會導致錯誤或反應變慢。在這項工作中，科學家們檢查了額葉皮層數百個神經元的電信號。這是涉及決策和復雜思維的大腦區域。
了解這種神經活動如何隨時間和不同條件而變化。 （有或沒有乾擾，以及準確或不正確的表演之間），該團隊使用了一種稱為 子空間編碼 這項技術展示了神經元組如何協調它們的活動。它揭示了組織模式。
“就像八哥在天空中低語一樣，”米勒說。
每次干擾後，研究人員都會看到空間內出現旋轉模式，就好像“椋鳥”在受到干擾後又恢復了原來的形狀。米勒認為，這種圓周運動代表大腦在受到干擾後恢復到協調狀態。
輪換的程度可以預測工作績效。當分心不會導致錯誤時，神經系統活動會形成一個完整的循環。表示完全康復但當乾擾妨礙表現時，圓圈仍然不完整（平均 30 度）並且旋轉速度較慢。較慢的速度可能反映出大腦無法完全集中註意力。
另一個觀察結果是，隨著分散注意力和期望反應之間的時間間隔變長，恢復情況會有所改善。數據表明，大腦需要那個時刻來完成其在數學空間中的旋轉。並恢復神經系統和行為
子空間編碼揭示了神經元以高度協調的旋轉模式運作，有助於維持注意力。有趣的是，這些輪換僅在發生干擾時才會發生。 （無論何種類型的干擾）並且不會自行發生
…反映大腦的物理旋轉
子空間編碼只是神經活動隨時間變化的抽像數學表示。但當研究人員觀察神經活動的直接物理測量時，他們發現它實際上反映了圍繞大腦皮層旋轉的行波。多次測量表明，神經活動具有空間順序，具有連續的角度變化。這對應於通過大腦皮層電極旋轉的活動波。事實上，真實波的旋轉速度與子空間編碼中數學表示的波相同。
“原則上沒有理由解釋為什麼這個數學子空間中的旋轉應該直接對應於大腦皮層表面的旋轉，”米勒說。 “但事實就是這樣。就在那時，我看到大腦實際上是在使用這些行波來執行計算，即模擬計算。模擬計算比數字計算的能源效率要高得多。生物學支持節能解決方案。這是一種不同的、更自然的思考神經計算的方式。”
除了 Miller 和 Batabyal 之外，本文的其他作者還包括 Scott Brincat、Jacob Donoghue、Mikael Lundqvist 和 Meredith Mahnke。
這項研究的資金來自海軍研究辦公室、西蒙斯社會大腦中心、自由共同基金會和皮考爾學習與記憶研究所。
