Введение
Человек встаёт с постели, проходит через полутёмный коридор, вспоминая, что лежит в холодильнике, и оценивает, хватит ли ему энергии до завтрака. За считаные секунды мозг навигирует по окружающей среде, обращается к памяти и оценивает состояние организма. Как он это делает?
Отчасти благодаря электричеству. Мозг тратит около половины своих энергетических ресурсов на поддержание электрохимических градиентов, которые держат нейроны в состоянии готовности к срабатыванию в любой момент. Это даёт мозгу необыкновенную гибкость в ответе на требования повседневной жизни. Коллективная электрическая активность множества нейронов можно рассматривать как волны, распространяющиеся через мозг от одного региона к другому — как поднятые руки восторженных зрителей на стадионе.
Новые линии исследований показывают, что эти волны намного сложнее, чем предполагалось ранее. Традиционно их измеряли электродами и характеризовали как простые плоские волны: базовые осцилляции в активности нейронов. Нейробиологи давно рассматривали это как звук работающего двигателя мозга — просто признак его функционирования. Однако накапливающиеся данные на людях и животных свидетельствуют о том, что бегущие волны играют центральную роль в функционировании мозга.
"Исследования движутся от вопроса «Имеют ли они значение?» к утверждению «Это основной способ обработки информации корой»", — сказал Эрл К. Миллер, когнитивный нейробиолог из Массачусетского технологического института.
В исследовании, опубликованном в апреле 2026 года в Nature Communications, нейробиологи измерили бегущие волны нейронной активности и обнаружили их разнообразие: волны-источники, исходящие из одного места, волны-стоки, сходящиеся в одну точку, и спиральные волны, похожие на вихри. Команда, в состав которой входили Джошуа Джейкобс и Анап Дас из Чикагского университета, установила, что разные поведенческие задачи связаны с различными паттернами волн.
Нейроны способны изменять связи с соседями со временем, но обычно это происходит на протяжении дней или месяцев. Поведение же должно адаптироваться за секунды. Всё больше нейробиологов считают, что эти крупномасштабные волновые паттерны могут помочь мозгу переорганизовать свою деятельность в реальном времени в соответствии с поведенческими требованиями.
"Даже если бегущая волна — просто результат срабатывания нейронов, как звук двигателя, она всё равно рассказывает нам кое-что очень интересное о мозге на основе того, что делает человек, — сказал Джейкобс. — Если вы слышите звук, движущийся в направлении через ваш двигатель, это означает, что что-то в вашем двигателе организовано направленно."
Туда и обратно
Ещё с 1920-х годов нейробиологи измеряют колеблющуюся электрическую активность мозга с помощью электродов на поверхности кожи головы методом электроэнцефалографии (ЭЭГ). Когда мы сосредотачиваемся, запоминаем или спим, крупномасштабная частота электрической активности мозга меняется. Эти различные осцилляции известны как альфа, бета, гамма и тета волны и измеряются в герцах.
Но регистрация электрической активности снаружи черепа ограничивает качество получаемой информации. Лаборатория Джейкобса специализируется на внутричерепных записях мозга. Люди с тяжёлой эпилепсией могут иметь электроды, размещённые внутри мозга для локализации источника припадков. Примерно со 100 электродами, размещёнными в определённой мозговой области, и с согласия пациента команда Джейкобса может захватывать высокоразрешённые данные — как в пространстве, так и во времени — во время выполнения участниками различных когнитивных задач.
Джейкобс и его сотрудник Ума Мохан, которая теперь работает нейроинженером в Национальных институтах здоровья, были частью команды, использовавшей эту методику для наблюдения активности мозга во время задач на память. В исследовании, опубликованном в Nature Human Behavior в 2024 году, они описали волны, движущиеся в противоположных направлениях через самый внешний слой мозга, кору. "Они либо движутся от затылка к лобной части, либо от лобной части к затылку", — сказал Джейкобс.
Хороший способ понять этот результат — рассматривать волны как показатель направления распространения информации. Зрительные области находятся сзади, а префронтальная кора, "высокоуровневый" регион памяти, спереди. Если вы сосредоточены на том, что видите, сигналы распространяются назад от рецепторов в глазах к зрительной коре, а затем вперёд через волну в остальную часть мозга для формирования памяти. "Признак этого — видеть волны, идущие от затылка к лобной части мозга", — сказал Джейкобс.
"Мы думали, что это способ, которым мозг использует свою организацию для переключения между функциями кодирования и воспроизведения памяти на быстрой шкале времени в зависимости от того, что требуется поддерживать вашему мозгу", — объяснила Мохан.
Смещающиеся паттерны
Исследование 2026 года от Джейкобса и Даса осложнило эту картину. Оно показало, что эти волны могут принимать гораздо более разнообразные формы, паттерны и ряби, далеко выходящие за пределы тех, которые создаются простым движением вверх-вниз и спереди-сзади.
В эксперименте команда попросила участников выполнить две задачи на память. Первая была простым упражнением на вербальную память, в котором нужно было вспомнить слова, которые они видели на экране. Вторая была более сложной пространственной задачей: они навигировали в виртуальной среде и должны были вспомнить местоположение объектов, которые встречали.
Используя высокоразрешённый метод, Джейкобс и Дас наблюдали два новых класса волн у бодрствующих людей впервые. Один исходил из области коры как концентрическая волна, как ряби от камня, брошенного в озеро, или наоборот — волны сходились к одному региону. Другой был вращающейся спиральной волной, движущейся по часовой или против часовой стрелки, как ураган или вода в сливном отверстии.
"Мы видим вращающуюся волну в пространственной задаче немного чаще, чем волны, которые мы видим в вербальной задаче, у которых более простая структура", — сказал Джейкобс. — "Это предполагает, что вращающиеся волны лучше подходят для выполнения более сложного поведения памяти."
Исследователи давно делают внутричерепные записи у людей, но часто смотрели только на один электрод за раз или на несколько. Это создавало впечатление простых волн по всей внешней коре. Джейкобс понял, что если посмотреть на группы электродов, разделённых правильными расстояниями, структура и направленность волн становятся яснее.
Джейкобс связался с Бардом Эрментраутом, математическим биологом из Университета Питтсбурга, который изучал похожие паттерны у мышей. Эрментраут думает, что простые волновые паттерны, наблюдавшиеся в прошлом, могли быть частью более сложных волн. Однако до недавнего времени исследователи не имели доступа к электродам, размещённым в правильных местах или в нужном пространственном масштабе, чтобы поймать больший паттерн.
"Может быть, плоские волны — это просто внешние руки, где вы упускаете глаз урагана", — сказал Эрментраут, соавтор статьи от апреля 2026 года. — "В урагане вы чувствуете ветер, дующий в одном направлении. Вы не знаете, что он вращается, если вы не находитесь прямо у глаза."
Поскольку исследование собирает данные только из мест, где пациенты имели электроды, установленные в рамках лечения эпилепсии, "мы можем упускать, насколько распространены эти паттерны на самом деле", — сказал Джейкобс.
Больше чем просто шум
Хотя единого мнения о том, что эти волны в локальном электрическом поле мозга могут делать, ещё нет, некоторые учёные считают, что они предоставляют мозгу ещё один способ координировать активность между регионами. Миллер сказал, что эти волновые паттерны намного более динамичны и гибки, чем стабильные, более архитектурные связи между нейронами. Для Миллера имеет смысл, что мозг использовал бы эту возникающую, биофизическую слой организации, которая смещается и движется в том же временном масштабе, что и поведение.
"Архитектура мозга действительно важна, и бегущие волны имеют тенденцию следовать анатомии, но они ей не строго следуют. Связность — это больше информация, встроенная в мозг для долгосрочного хранения, а волны — это когда эта информация выражается в виде мысли и нейронной обработки", — сказал Миллер.
Волны могут быть релевантны для различных функций мозга. Исследования нашли свидетельства того, что они играют роль в сенсорной обработке, предсказании и модуляции базовой возбудимости нейронов, делая их более или менее вероятными срабатыванием при необходимости.
Статья, опубликованная в Science в июне 2026 года, подтверждает результаты, найденные Джейкобсом и его командой у людей с эпилепсией. Нейробиологи Чживэнь Е из Шэньчжэньской медицинской академии исследований и трансляции и Николас Штайнмец из Вашингтонского университета также наблюдали круговые вращающиеся волны, но на этот раз в мозгах мышей. Поразительно, что эти волны отражались и синхронизировались между левым и правым полушариями. Более того, в соматосенсорной коре — где информация от чувств интегрируется с движениями тела — аксональные нейроны были соединены вместе в спирально-круглом расположении. Это могло бы облегчить производство этих похожих на ураган волн.
"То, что мы обнаружили, это схема, соединение клеток для формирования этих волн, для опосредования этих волн", — сказал Е. — "Если они не важны, почему бы мозгу пытаться соединять клетки таким образом?"
В обзорной статье, опубликованной в сентябре 2026 года в Neuron, ведущие авторы Лайл Мюллер из Техасского университета в Далласе и Джон Рейнольдс из Института биологических исследований Солка, опираясь на десятилетия нейробиологических открытий, сделали вывод, что бегущие волны в зрительной коре могли бы помочь с предсказанием предстоящей сенсорной информации. Они описали, как развивающиеся паттерны могут нести информацию о том, что мозг только что пережил, наряду с тем, что он переживает сейчас, чтобы помочь мозгу делать краткосрочные предсказания о том, что вероятно будет дальше.
Волны в локальном электрическом поле могут играть ключевую роль в познании, сказал Миллер, с возможностью возбуждать или подавлять базовую нейронную машинерию. Он описывает нейроны в коре как "Шалтая-Болтая, сидящего на стене", балансирующего на краю срабатывания. Эта колеблющаяся электрическая активность может изменять напряжение на синапсах, которые соединяют нейроны, делая их в будущем более или менее вероятными срабатыванием.
Не все согласны с гипотезой о том, что бегущие волны в локальном электрическом поле играют роль в обработке информации мозгом. Для Дьёрдя Бузсаки, системного нейробиолога из Нью-йоркского университета, волны — это просто отражение того, что происходит внизу на синаптическом уровне. Чем больше нейронов и чем они более синхронны, тем сильнее электрическое поле и осцилляции в нём. Паттерны могут рассказать нам интересные вещи о схеме внизу, но это всё, согласно Бузсаки. "Ток генерируется синапсами", — сказал он. "Когда ток входит в нейрон, они выполняют свои вычисления и генерируют свои потенциалы действия и общаются друг с другом. Вам не нужно ничего, происходящего во внеклеточном пространстве."
Хотя истинная природа того, что, если вообще, эти волны делают, ещё полностью не установлена, свидетельства накапливаются, что они могут быть важны для того, как мозг организует, обрабатывает и выражает информацию в реальном времени.
"Биология использует регулярность и предсказуемость, а эти волны делают организованные, предсказуемые вещи в связи с когнитивными функциями", — сказал Миллер. — "Если это вам не говорит, что что-то происходит, то я не знаю, что может."