我起床了，走過昏暗的走廊，思考冰箱裡有什麼以及早餐該吃什麼。在短短幾秒內，我不費吹灰之力地導航環境、調用記憶並評估身體的能量狀態。大腦是如何做到這一切的？
部分原因是利用電力。大腦約有一半的能量用於維持電化學梯度，使神經元隨時準備發射訊號。這賦予大腦極高的靈活性，能夠應對日常生活的需求。許多神經元的集體電活動可視為波浪，從一個區域傳播到另一個區域，就像足球賽中觀眾揮舞的手臂。
新的研究揭示這些波浪比以往認知的更為複雜。過去通常用電極測量，認為這些波是基本的平面波：神經活動中簡單結構的振盪。神經科學家傳統上將其解讀為大腦引擎運轉的聲音，僅是大腦運作的象徵。然而，最新的人類與動物研究證據顯示，這些行進波在大腦功能中扮演核心角色。
麻省理工學院認知神經科學家厄爾·K·米勒表示：「最新研究已將焦點從『它們是否相關？』轉向『這是大腦皮層處理資訊的主要模式』。」
2026年4月發表於《自然通訊》的一項研究中，神經科學家測量了神經活動的行進波，觀察到多種波形：源波從一處發出，匯聚波集中於一點，以及旋渦狀的螺旋波。芝加哥大學的約書亞·雅各布斯和阿努普·達斯等團隊發現，不同行為任務對應不同的波形模式。
神經元會隨時間改變與鄰近神經元的連結，但通常是在數天或數月的尺度上。行為卻需要在數秒內調整。許多神經科學家現在相信，這些大規模波形可能幫助大腦即時重組，以滿足清醒生活中的行為需求。
雅各布斯說：「即使行進波只是神經元發射的結果，就像引擎聲一樣，它仍告訴我們關於大腦的有趣訊息，根據個體的行為而異。若你聽到引擎聲在某方向移動，代表引擎內部有方向性組織。」
早在1920年代，神經科學家就利用頭皮表面的電極進行腦電圖（EEG）測量大腦的振盪電活動。當我們注意、記憶或睡眠時，大腦電活動的頻率會改變，這些振盪通常稱為阿爾法波、貝塔波、伽瑪波和西塔波，頻率以赫茲計。
但從頭骨外部記錄電活動限制了資訊的解析度。雅各布斯的實驗室專精於顱內腦電記錄。嚴重癲癇患者可能在腦內植入電極以定位癲癇源頭。透過約100個電極置於特定腦區，並經患者同意，雅各布斯團隊能在空間與時間上捕捉高解析度數據，觀察參與者執行各種思考任務時的腦活動。
神經工程師烏瑪·莫漢在記憶任務中觀察到波浪穿越大腦，可能幫助大腦快速切換功能。
雅各布斯與現任美國國家衛生研究院的神經工程師烏瑪·莫漢合作，利用此技術觀察記憶任務中的腦活動。2024年發表於《自然人類行為》期刊的研究中，他們描述波浪在大腦皮層的兩端以相反方向移動。「波浪要麼從後向前，要麼從前向後穿越大腦。」雅各布斯說。
雅各布斯表示，理解此結果的好方法是將波浪視為資訊傳播方向。視覺區位於後方，前額葉皮層是「高階」記憶區域，位於前方。當你專注於所見時，訊號從眼睛的感受器向後傳至視覺皮層，再透過波浪向前傳至大腦其他區域形成記憶。「這種訊號的特徵是波浪從大腦後方傳向前方。」
莫漢解釋：「我們認為這是大腦利用此組織結構，在快速時間尺度上切換編碼與回憶記憶功能，依據你需要大腦支持的任務。」
2026年雅各布斯與達斯的研究使這一圖景更加複雜。他們發現這些波浪能呈現更為多樣的形狀、模式與波紋，遠超過簡單的上下或前後移動。
在實驗中，團隊要求參與者執行兩項記憶任務。第一項是簡單的口頭記憶練習，回憶螢幕上看到的單詞。第二項是較複雜的空間任務：在虛擬環境中導航，回憶遇到物體的位置。
透過高解析度方法，雅各布斯與達斯首次在清醒人類中觀察到兩類新波形。一類是從皮層某區域發出的同心圓波，如同石子投入湖中產生的漣漪，或相反的波浪匯聚於一點。另一類是旋轉螺旋波，順時針或逆時針方向移動，類似颶風或沖水馬桶的旋轉。
雅各布斯說：「我們在空間任務中較常見旋轉波，而口頭任務中的波形較簡單。這似乎暗示旋轉波更適合執行複雜的記憶行為。」
雅各布斯表示，人類顱內記錄已進行多年，但過去多只觀察單一或少數電極，給人整個外層皮層波形簡單的印象。他發現若觀察間距適當的電極群，波形的結構與方向性會更清晰。
匹茲堡大學數學生物學家巴德·埃爾門特勞特認為，過去實驗中觀察到的簡單波形可能只是更複雜波浪的一部分。
埃爾門特勞特說：「也許平面波只是外圍的波臂，你錯過了風暴的中心。在颶風中，你只感受到風向，但不會知道它在旋轉，除非你就在風眼旁邊。」
由於研究僅收集癲癇患者植入電極的區域數據，「我們可能錯過了這些波形的普遍性。」雅各布斯說。
雖然尚未達成共識這些局部電場波浪的功能，但部分科學家認為它們提供大腦區域間協調活動的新途徑。米勒指出，這些波形比神經元間穩定的結構連結更具動態與彈性。對他而言，大腦利用這種隨行為時間尺度變動的生物物理組織層是合理的。
米勒說：「大腦的結構非常重要，行進波通常遵循解剖結構，但不完全受限於此……連結是大腦長期儲存資訊的基礎，波浪則是這些資訊以思考和神經處理形式表達的時刻。」
這些波浪可能與多種大腦功能相關。研究發現它們在感覺處理、預測及調節神經元興奮性方面扮演角色，使神經元在需要時更易或更難發射訊號。
深圳醫學轉化研究院神經科學家葉志文及其同事觀察到旋轉波在老鼠大腦左右半球鏡像同步。
2026年6月發表於《科學》期刊的一篇論文呼應雅各布斯團隊在人類癲癇患者中發現的結果。深圳醫學轉化研究院的葉志文與華盛頓大學的尼古拉斯·斯坦梅茲觀察到老鼠大腦中也存在圓形旋轉波。令人著迷的是，這些波在左右半球鏡像且同步。此外，在體感皮層——整合感覺與身體運動的區域——軸突神經元以螺旋圓形排列，可能促成這種颶風般的波浪產生。
葉志文說：「我們發現有一個迴路，細胞連結形成這些波浪，調節這些波浪。如果它們不重要，大腦為何要以這種方式連接這些細胞？」
2026年9月發表於《Neuron》期刊的綜述文章中，德州大學達拉斯分校的萊爾·穆勒與索爾克生物研究所的約翰·雷諾茲總結數十年神經科學發現，主張視覺皮層的行進波有助於預測即將到來的感覺資訊。他們描述波形如何攜帶大腦剛經歷與正在經歷的資訊，幫助大腦做出短期預測。
米勒表示，局部電場中的波浪可能在認知中扮演關鍵角色，能激發或抑制基礎神經機制。他形容皮層神經元如「坐在牆上的漢普蒂·鄧普蒂」，處於發射邊緣。這種振盪電活動能改變神經元突觸的電壓梯度，使其未來更易或更難發射訊號。
並非所有人都認同行進波在大腦資訊處理中的角色。紐約大學系統神經科學家布扎基認為，波浪只是突觸層面活動的反映。神經元越多且同步，電場與振盪越強。波形能告訴我們電路的有趣訊息，但僅此而已。布扎基說：「產生電流的是突觸，電流進入神經元後進行計算，產生動作電位並相互溝通。你不需要細胞外空間有其他作用。」
儘管這些波浪的真實功能尚未完全明朗，但越來越多證據顯示它們可能對大腦即時組織、處理與表達資訊至關重要。
米勒說：「生物學利用規律性與可預測性，這些波浪與認知功能相關，做著有組織且可預測的事。如果這還不能說明有事情正在發生，我不知道還有什麼能說明了。」
