最近，我栖息在阿苏阿布尔峡谷的悬崖边缘，凝视着下方 100 多英尺的激流。水流冲过砂岩悬崖，然后撞到自然断裂处并旋转回自身，形成多个令人着迷的漩涡。数千年来，这些水域在峡谷内雕刻出宏伟的石墙，支撑着充满活力的生态系统。
大脑对于认知可能也会做同样的事情。
我们知道，不同的大脑区域不断协调其活动模式，从而产生在大脑中荡漾的波。不同类型的波对应不同的心理和认知状态。
这是大脑如何自我组织以支持我们的思想、感觉和情绪的一种想法。但如果大脑的信息处理动力就像波浪一样，那么当出现湍流时会发生什么？
事实上，大脑确实经历了相当于神经“飓风”的情况。它们相互碰撞，当它们碰撞时，产生的计算与认知相关。
这些发现来自《自然人类行为》中的一项独特研究，该研究将神经科学和流体动力学联系起来，以揭示人类思维的内部运作方式。
多个相互作用的螺旋组织大脑活动的流程。图片来源： Gong 等人。
该团队使用通常用于观察物理学中水流模式的方法分析了从人类连接组计划收集的 100 份脑部扫描数据。这种非常规的领域结合得到了回报：他们在休息和执行具有挑战性的脑力任务时，在大脑中发现了一种神秘的螺旋波活动模式。
大脑螺旋通常是从桥接相邻局部神经网络的选定区域中生长出来的。最终，它们穿过皮质——大脑最外层的、有皱纹的区域。
皮层通常被称为“智力之座”，是一个多任务处理者。专门的区域处理我们的感官。其他人将新的经历与记忆和情感交织在一起，进而形成帮助我们适应不断变化的世界的决定。
为了使皮层正常运作，每个区域之间的沟通是关键。在一系列测试中，大脑螺旋似乎是信使，将整个皮层的局部神经网络组织成一个连贯的计算处理器。他们还致力于特定的认知任务。例如，当某人听故事时（与解决数学问题相比），漩涡在不同的大脑区域开始并创建自己的旋转模式，即某种认知指纹。
通过分析这些螺旋波指纹，研究小组发现他们可以仅使用大脑图像对认知处理的不同阶段进行分类。
发现大脑中的湍流是理解我们的生物计算机如何工作的又一步，并且可以激发未来基于大脑的机器的创造。
“通过解开大脑活动的奥秘并揭示控制其协调的机制，我们离释放理解认知和大脑功能的全部潜力又近了一步，”悉尼大学的研究作者龚普林博士说。
你不愿意做我的邻居吗？
大脑的一个基本谜团是神经元中的电火花如何转化为思想、推理、记忆甚至意识。
为了解开这一切，我们需要沿着神经处理的金字塔向上走。
从底部开始：神经元。公平地说，它们本身就是极其复杂的微型计算机。他们也很爱管闲事。他们不断地使用各种称为神经递质的化学信号与邻居聊天。您可能听说过一些：多巴胺、血清素，甚至激素。
与此同时，神经元处理由电脉冲携带的本地闲话，并根据听到的内容改变自己的行为。一些关系得到加强。其他人打破。通过这种方式，大脑形成局部神经网络来支持视觉处理等功能。
“对大脑活动的研究在理解局部神经回路方面取得了实质性进展，”该团队写道。
缺少的是更大的图景。想象一下从当地社区缩小到整个世界。由于神经技术的蓬勃发展，科学家们已经能够记录大脑中越来越大的区域。通过深入研究所有这些新数据，之前的研究发现多个本地网络会导致不同的行为。
然而，这些对大脑组织的见解大多集中在以线性模式进行通信的神经元上，就像数据沿着海底光缆传输一样。为了拓宽我们的视野，我们还需要寻找更复杂的 3D 图案，例如螺旋或漩涡。
大约两年前，该团队利用了大量资源来寻找大脑活动的紊乱：来自人类连接组计划(HCP) 的覆盖整个皮层的功能性 MRI 数据。该项目于 2009 年启动，开发了多种工具以前所未有的规模绘制人类大脑图谱，并为研究人员生成了一个庞大的数据库。这些地图不仅涵盖了大脑的结构，许多地图还记录了参与者参与不同认知任务时的大脑活动。
在这里，团队从HCP 数据的一部分中选择了大脑图像。该数据集对 1,200 名 22 至 35 岁健康年轻人在休息或面临多项脑力任务时的大脑连接和功能进行了成像。
他们重点研究了 3 组（每组 100 人）的大脑图像。其中一组由完全放松的人组成。另一个人面临着语言和数学任务的挑战。最后一组展示了他们的工作记忆——也就是说，他们被要求使用我们用来协调新信息并决定我们下一步应该采取的行动的心理画板。
研究小组利用通常用于解密湍流的数学工具，分析了 MRI 数据中与认知相对应的模式——在本例中是数学、语言和工作记忆。
简而言之，分析精确定位了“风暴眼”，并预测了神经漩涡从那里扩散的速度和范围。他们“以一种有趣的方式相互移动和互动，这非常令人兴奋，”团队说。
螺旋就像飓风一样，在围绕设定中心旋转的同时在皮层上弹跳——称为“相位奇点”。他们说，这种模式与物理学和生物学中的其他动态系统（例如湍流）惊人地相似。
一个不断上升的谜团
为什么以及如何发生这些螺旋？该团队尚未找到所有答案。但深入挖掘后，他们发现这些螺旋的种子是从功能神经网络之间的边界中绽放出来的。研究小组认为，这些扭曲的形状对于“通过旋转运动有效协调这些网络之间的活动流”至关重要。
螺旋根据手头的认知任务旋转和相互作用。它们还倾向于旋转并扩散到被称为“大脑中枢”的大脑区域，例如大脑的额叶部分或与整合感觉相关的区域。
但他们的互动尤其令人着迷。根据湍流物理学，相互碰撞的大脑螺旋携带了大量信息。这些波捕获空间和时间上的数据，并以非线性波的形式在活神经元表面传播信息。
龚说：“多个共存螺旋之间复杂的相互作用可以使神经计算以分布式和并行的方式进行，从而获得显着的计算效率。”
对于没有参与这项研究的德岛大学的 Kentaroh Takagaki 博士来说，“结果与皮层信息处理的既定观点形成了鲜明的对比”。
目前，大脑螺旋仍然相当神秘。但通过更多的工作，他们可以深入了解痴呆症、癫痫症和其他棘手的神经系统疾病。
图片来源： Mitul Grover / Unsplash