2015 年，叶智文博士在美国进行第一轮博士后研究小鼠的视觉系统时，用电极记录到一种奇怪的脑电波振荡：这种振荡在次级视觉皮层频繁出现，初级视觉皮层却几乎看不到。尽管这项工作最终未能发表，却留下了一个谜团：为什么振荡空间分布如此不均匀？它的时空结构又由什么因素决定？
带着这些问题，他于 2019 年加入华盛顿大学尼克·斯坦梅茨教授的实验室。借助更先进的设备，叶智文在第一年的探索中就截取到几段全皮层活动记录，其中呈现出明显的时空规律。2020 年底居家期间，他与尼克线上复查录像，尼克突然喊道：“看，有旋转的波形！”叶智文仔细查看他所指的脑区，一个清晰的旋转模式跃然眼前。他向 DeepTech 回忆起那个瞬间时感叹：“有意外，但更多是一种偶然中的必然。”
然而，这个令人雀跃的时刻只是开始。经历被拒稿再转投、近六年曲折的实验验证后，2026 年 6 月 18 日，该研究成果终于发表在《科学》（Science）上。
看见“风暴”
大脑中神经元的放电常以波的形式从一个区域传向另一个区域，这种模式叫行波。行波广泛存在于海龟、大鼠、猴和人类中，与感知、记忆、运动等功能密切相关。行波有一种沿圆形轨迹传播的特殊形态——旋转波。过去由于记录手段受限于小尺寸电极阵列和有限的成像视野，只能捕捉到局部片段。
要想观察到这场在脑中旋转的“风暴”，就必须借助先进的成像技术和高精度探针。叶智文说，理解全脑尺度动态“需要扩大同时能够记录到的脑区及神经元的数量，从量变达到质变”。尼克教授的实验室拥有宽场钙成像设备，这帮助团队更好地区分旋转波与其他行波。他们利用遗传手段让小鼠皮层神经元表达钙指示蛋白：神经元活跃时细胞内钙浓度升高，蛋白发出更强的荧光，再用高速相机从上俯拍，获得每秒 35 帧的全皮层活动图。论文数据显示，使用上一代钙指示蛋白时，旋转波的出现率仅约 2%；换用新一代方案后，观测到的旋转波帧数占比跃升至 10%。
在清醒状态下最显著的 2~8 赫兹频段，研究人员记录到：神经元的活跃高峰沿圆形轨迹依次传递，在全皮层上形成一个缓慢旋转的漩涡。15 只小鼠中均发现一致的旋转波模式，并总结出几个基本特征：旋转波的中心几乎总落在初级体感皮层中部，类似“台风眼”；旋转频率约 5 赫兹，角速度在不同半径处保持稳定，但外圈线速度更大；旋转波会依次扫过小鼠身体各部位在皮层上的映射区，从下肢到上肢，再从嘴到鼻子再到胡须区，如同钟表指针遍历刻度。
图 | 连续帧的相位图展示旋转过程（来源：Science）
验证旋转波，就像打游戏通关
从观察到旋转波开始，叶智文便踏入了一片人迹罕至的领域。他用“游戏打通关”和“坐过山车”来形容此后的验证——虽然一直坚信旋转波是生物学意义上的必然存在，但大部分验证都需要长期实验和反复推敲。
为找出“风暴眼”为何总落在体感皮层中部，叶智文转向神经元连接模式的分析。这是他口中少数“一打就通”的幸运时刻。团队利用公开的单神经元三维重建数据库，分析了 435 个体感皮层神经元的轴突走向。这些轴突沿切线方向有序排列，整体构成一个圆形连接构型，与旋转波的传播方向高度吻合。计算建模进一步确认：在虚拟神经元网格上施加圆形偏置的连接，会显著增强旋转波的产生和稳定性。
图 | 感觉皮层神经元的轴突方向（左）与旋转波传播方向（右）高度吻合（来源：Science）
“风暴眼”恰好落在一块被命名为“SSp-un”的区域，“un”代表“未分配”。大脑皮层从表面到深处分为 6 层，其中第 4 层是接收外部感觉信息的入口。典型体感皮层的第 4 层很厚、神经元密集、边界清晰，但位于体感皮层正中央的 SSp-un，其第 4 层结构并不清晰。这暗示它接收的直接感觉输入可能较少，或不具备处理某个具体身体部位感觉的功能。叶智文推测，“SSp-un 的形成是脑部发育过程中神经投射建立与神经动态共同作用的结果。”这一发现既可能揭开该区域的功能谜团，同时也证实旋转波的运转基础在发育早期就已被“刻”入大脑。
旋转波还展现出精确的对称性。大脑左右半球的体感皮层各持有一份“身体地图”，一侧出现旋转波时，另一侧往往同时上演与之对称的旋转波——方向相反，时间同步。紧邻体感皮层的运动皮层也是如此。用一侧活动预测另一侧旋转波方向，匹配率高达 97.5%，这也与两侧半球间长程轴突投射的空间分布高度吻合。
在拍摄皮层活动的同时，团队将四柄 Neuropixels 2.0 神经像素探针插入皮层下的丘脑、纹状体和中脑。这种高密度电极探针可同时记录数百个神经元放电，尼克曾参与其开发。为了最大化采集与皮层旋转波相关的深部神经元信号，团队根据艾伦脑科学研究所的脑连接组图谱中感觉区域向皮层下投射的密度分布，精确设计了探针的插入角度和深度。结果令人振奋：仅凭深部神经元的放电模式就能逐帧预测皮层旋转波的旋转方向，准确率显著高于随机水平。这些实验证实，旋转波是一套全脑共享的动态。
弄清相关性后，团队进一步检验了体感皮层环路与旋转波的关系。他们在体感皮层内部制造微小的双侧切口，切断局部连接。与仅开颅的对照组相比，这一操作使体感皮层和运动皮层的旋转波减少了 40% 至 65%，揭示了完整环路对旋转波不可或缺。体感皮层环路包含局部纤维、长程纤维和神经元三大组成部分，切割不仅切断局部纤维，还可能影响其他部分甚至导致神经元死亡。叶智文并不回避这一实验方案的局限性，但他强调，只要切割打破了体感皮层环路的完整性，就能证明该环路对旋转波的必要性。
旋转波与行为的关联
人们常用“头脑风暴”形容调动思考、综合多方意见做出决策的活动，叶智文则在脑内发现了一场真实的风暴。可旋转波究竟只是大脑中的背景噪音，还是确实参与了具体行为或决策？研究人员为此设计了两类实验。
被动刺激实验证实了旋转波对刺激的特异性：向小鼠左侧胡须施加一股短促气流，对侧体感皮层随即漾起一场旋转波，且明显偏向顺时针，而同侧并未发生显著变化。在主动行为实验中，团队训练小鼠完成视觉-运动两选任务：看到屏幕图案后转动滚轮，获得喝水奖励。成功试次里，大半径旋转波的频率会显著翻倍；若视觉刺激恰好出现在 2~8 赫兹振荡的波峰时刻，正确率也更高。而在失败试次中，小鼠大脑未出现显著变化。
（来源：Science）
至于正确决策所需的活动是否恰好表现为旋转波？目前尚无定论。任务依次调动视觉、前肢和嘴部功能，对应的皮层区域恰好相邻排成环形，活动沿环形路径传播正与旋转波的模式一致。叶智文指出，要最终证实旋转波可以协调运动，更直接的因果检验是直接操控旋转波、观察行为是否随之改变——这是他未来研究的方向之一。
另外，实验发现旋转波在低唤醒状态下出现得更频繁，但尚无法排除此时 2~8 赫兹信号更强、更易被检测的可能性。对此，叶智文给出了一个初步验证思路：对比唤醒状态不同但振幅相近的时间段，再统计旋转波发生率。而要未来在沟回更复杂的人类皮层或其他更高频神经活动中验证旋转波，仍需借助更先进的电压传感器。
一场被定义为“幸运”的坚持
从预印本上线到正式见刊，这项研究历时两年半。2023 年底，研究以预印本形式上线 bioRxiv，并同步投稿《自然》。当时版本论证了旋转波的存在、轴突环形结构基础、镜像分布和全脑协调模式。两位审稿人中，一位同意接收，另一位认为行为学意义是关键，要求补充。叶智文用一年时间补做了视觉-运动行为实验，但新数据带来了新问题：视觉任务中旋转波中心略微向视觉皮层偏移，不再停留在体感皮层正中心。审稿人提出进一步质疑，编辑最终决定拒稿。
收到拒信后，团队并未气馁。叶智文告诉 DeepTech：“预印本得到许多同行的高度认可，我对自己的数据和课题影响力也很有信心。”他与尼克商讨后决定转投《科学》。四位审稿人全部认可论文的新颖度，为回应其中一位审稿人的更高要求，他们补充了切割实验和胡须刺激实验。审稿人还指出，从数学定义出发，标题从预印本的“螺旋波”改为“旋转波”更准确，团队接受了这一意见，文章最终顺利发表。
在学界，找到突破性发现却无法立即和同行分享，是一个煎熬的过程，有时还面临被抢发的风险。但叶智文表示：“由于这项发现非常独特，数据质量极高，其他团队并没有竞争优势；审稿期间确有相关文章陆续发表，但都起到了相辅相成的作用。”其间，尼克教授作为实验室负责人，顶着终身教职评审的压力和美国政府削减科研经费的困境，持续给予支持，让叶智文“感到非常幸运”。
图 | 叶智文博士（下排左三）与团队合影，上排左四为尼克教授（来源：受访者提供）
大脑的“注意力机制”
论文在讨论部分提出了一个颇具启发性的类比：旋转波为神经活动施加的时空结构，在概念上类似于Transformer架构的自注意力机制。两者都为序列中的每个元素提供位置和上下文信息，支持高效的编码和预测。旋转波依次扫过身体各部位代表区，天然给每个感觉模态打上时间戳，这与 Transformer 的位置编码有概念上的相似。
但二者也存在差异：Transformer 的注意力是学习获得的，可以跳跃式关注任意位置；而旋转波受限于物理连接，必须逐步传播。这种约束未必是劣势。人脑总能耗约 20 瓦，远低于 AI 基础设施的数千瓦量级，叶智文指出，“生活中大部分的信息和运动都是时空连续的。构建具有时空连续性的网络结构，或许有助于优化学习时间和能耗。”在他看来，生物大脑经过了漫长演化，Transformer 还只是近年来一个新概念，优化空间很大。例如，哈佛大学的安迪·凯勒与阿姆斯特丹大学的马克斯·韦林等人已构建出将行波动力学嵌入隐藏状态的神经网络，证明这类网络在序列学习任务中学得更快、误差更低。
2026 年 7 月，叶智文将加入深圳医学科学院的神经调控与认知研究所，组建独立课题组。谈及回国原因，他表示，除了美国当下科研经费收缩和移民政策变动，更关键的是，中国机构的科研宗旨和支持力度比肩国际顶尖高校研究院，并且系统神经科学发展迅猛，“很多分支领域已达到或赶超西方权威”。他带回的，是一套从全皮层成像到跨脑区电生理的完整技术体系，以及一个刚刚写就开头的科学问题。下一步，叶智文计划继续研究旋转波对感觉与运动的编排，通过实验进一步回答能否用定向干预改变行为和学习等问题，最终希望从神经数据中提取学习、记忆及感觉运动的基本规律，并为人工智能、具身机器人和神经疾病研究做出开拓性贡献。
至于从零建立一间实验室的挑战，这位经历过两轮博士后、每次都和同事“打江山”的青年研究者并不畏惧：“在一个空白的地方，你可以搭建属于自己的文化、历史和未来。”
（本文经云栈社区编辑整理）
参考内容：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx1369
发表于 4 小时前
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