当电信号在大脑中传播时，它们的运动方式就像池塘上的涟漪。这些“脑波”最早在1920年代被观察到，如今，斯坦福大学主导的研究团队通过开发的新仪器和技术，首次实现了前所未有的清晰观测。
这项发表在《细胞》（Cell）期刊上的技术涉及两项超高灵敏度的光学仪器，能够检测由基因工程蛋白质——“电压指示器”产生的信号，从而揭示小鼠神经元的脑波活动。尽管目前仅限于实验动物，但这项技术已显示出巨大潜力。利用这些仪器，研究人员发现了三种新型脑波，其传播方式前所未有。
“我们能够非常广泛地观察到脑波在大脑中的传播，”该研究的资深作者、斯坦福大学人文与科学学院的生物学与应用物理学教授Mark J. Schnitzer表示。“我们可以同时观察多个大脑区域，并看到脑波在大脑皮层中以特定神经元类型的方式扩散。”
与使用电极检测单个大脑活动点的传统方法不同，Schnitzer团队开发的仪器采用光学技术，即基于光的技术，来实时成像脑波的传播。此外，这些仪器还能聚焦于一到两种特定神经元类型的脑波。
自19世纪初德国医生汉斯·伯杰（Hans Berger）首次在人类身上识别出脑波以来，科学家一直在努力理解脑波的本质。他使用电极在早期版本的脑电图（EEG）中记录脑波。
如今，研究人员已经知道，这些脑波的异常与帕金森病、阿尔茨海默病、癫痫和精神分裂症等疾病相关。然而，要确定哪种神经元类型驱动哪种脑波，仍然是一项挑战。
这项最新进展有望解决这一问题。它源于斯坦福大学团队超过十年对名为TEMPO的光学技术的研究。该技术最早在2016年的一篇论文中被报道，研究团队包括Schnitzer（同时也是斯坦福医学院神经外科教授）以及医学院神经生物学与生物工程学教授Michael Z. Lin。Lin也是本研究的共同作者。
在本研究中，研究人员展示了两种互补的新型TEMPO仪器：一种光纤传感器，其灵敏度是此前版本的十倍，可在小鼠进行正常活动时追踪其大脑中的电活动；另一种光学介观成像仪，可提供8毫米宽的大脑图像，显示小鼠大脑新皮层（负责感知和认知等高级功能的脑层）中大部分区域的神经活动。
借助这项技术，研究人员观察到了几种此前未记录到的脑波，其中包括两种β波——与警觉性心理活动相关的高频脑波——它们以相互垂直的方向传播。
此外，他们还发现了一种θ波——与记忆处理相关的低频脑波——不仅像此前所知的那样单向传播，还出现了反向传播。
虽然目前尚不清楚这种新的方向性脑波意味着什么，但有一种理论认为，θ波可能像人工智能模型中使用的学习机制一样，发生了“反向传播”。
“似乎大脑有一个内部时钟来同步神经活动，但这些传播的脑波可能还主动在远距离范围内重组神经回路，而不仅仅是局部连接，”本研究的共同第一作者、Schnitzer实验室的工程总监Radosław Chrapkiewicz表示。“这可能在未来的仿生人工智能模型中发挥重要作用。”
要理解这些发现的意义，还需要进一步的研究，但这项新技术无疑将为神经科学和人工智能的发展开辟许多新方向。
“这项技术在理解脑部病理和大脑动态方面有着许多非常重要的应用，”本研究的第一作者、研究科学家Simon Haziza表示。“我们才刚刚触及表面。”
Schnitzer同时担任斯坦福人文与科学学院的安妮·T·和罗伯特·M·巴斯教授，也是Bio-X和吴蔡神经科学研究所的成员。他感谢斯坦福大学应用物理博士生Vasily Kruzhilin开发了必要的新型计算分析方法以灵敏提取电压信号，并感谢生物学研究专家Yanping Zhang开发了小鼠模型。
更多信息：
Simon Haziza et al, Imaging high-frequency voltage dynamics in multiple neuron classes of behaving mammals, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.06.028.
期刊信息：Cell
提供单位：斯坦福大学
【全文结束】
