Мозъкът може да управлява мисленето не само чрез връзките между невроните. Нова теория предлага друг механизъм: движещите се вълни на електрическата активност бързо обединяват необходимите нервни клетки, превключват мозъка между задачите и помагат за едновременната обработка на няколко потока информация.
Изследователите предполагат, че взаимодействието на вълните позволява на нервната тъкан да извършва аналогови изчисления, а съгласуваното разпространение на електрическата активност из мозъчната кора може да бъде едно от условията за съзнанието.Обичайното сравнение на мозъка с електронна схема обяснява само част от неговата работа. Невроните са свързани чрез синапси, през които си предават сигнали. Силата на синаптичните връзки се променя при ученето и помага за запазването на спомени, придобити знания, текущи цели и други представи. Въпреки това мозъкът трябва не само да съхранява информация. Всяка секунда зрението, слухът и останалите сетива доставят нови данни, а нервната система трябва за части от секундата да избере необходимите знания, да ги съпостави с случващото се и да подготви отговор.
Постоянното преструктуриране на физическите връзки между невроните за всяка задача е твърде бавно. Промяната в синапсите зависи от клетъчни и биохимични процеси, докато човек трябва мигновено да разпознава обекти, да задържа информация в работната памет, да забелязва промените около себе си, да потиска отвличащите сигнали и да взема решения. Ето защо изследователите търсят по-бърз механизъм, способен да координира милиони клетки, без да се налага преструктуриране на невронната мрежа след всяко ново събитие.
За тази роля се претендират мозъчните ритми. Невроните не винаги се възбуждат независимо един от друг. Активността на големи групи клетки може синхронно да се усилва и отслабва, образувайки електрически колебания с различни честоти. Много от тези колебания не остават на едно място, а се разпространяват по тъканта под формата на движещи се вълни. Авторите на новата теория считат вълновата динамика за система за бързо управление, която определя кои неврони ще работят заедно в даден момент.
Особено важна е смесената селективност на невроните. Нервната клетка далеч не винаги реагира само на един признак или изпълнява единствена функция. Активността на един неврон може да зависи едновременно от няколко параметъра, например от видяния обект, контекста, текущата задача и последователността от събития. Благодарение на смесената селективност едни и същи клетки могат да влизат в различни функционални ансамбли и да участват в различни изчисления.
Гъвкавостта предоставя на мозъка огромни изчислителни възможности, но в същото време създава проблем с управлението. Ако отделен неврон е способен да участва едновременно в няколко процеса, нервната система трябва постоянно да избира необходимата комбинация от клетки. Създаването на отделна постоянна верига за всяка възможна ситуация е невъзможно поради колосалния брой комбинации. Вълните позволяват промяна на състава на активните ансамбли, без да се променят самите синаптични връзки.
Изследванията на мозъчните ритми показват, че колебанията с различни честоти са свързани с различни аспекти на обработката на информацията. В новия модел особена роля се отрежда на сравнително бавните алфа и бета-ритми и на по-бързите гама-колебания. Алфа и бета-вълните са свързани с информация от паметта, текущи цели и предсказващо кодиране, при което мозъкът използва натрупания опит за прогнозиране на постъпващите сензорни сигнали. Гама-ритмът е по-тясно свързан с обработката на информацията, която постъпва от сетивните органи в момента.
Бавните и бързите колебания не действат изолирано. Алфа- и бета-ритмите могат да регулират гама-активността и по този начин да определят къде точно мозъкът ще обработва интензивно сензорните данни. Натрупаните знания и текущата задача всъщност оказват влияние върху това кои входящи сигнали ще получат приоритет.
Авторите свързват произхода на управляващите алфа- и бета-вълни със съгласуваната импулсна активност на невроните. Самите невронни вериги и синапси съхраняват информацията, а динамиката на вълните помага да се избират нужните представи в подходящия момент. На мозъка не се налага да формира мрежата наново всеки път, когато вниманието се прехвърля от един обект към друг или задачата се променя.
Експериментите от последните години добавиха към тази схема още един механизъм. Невроните създават около себе си електрически полета, а полетата са способни да влияят върху електрическото състояние на съседните клетки. Предаването на влияние без пряк синаптичен контакт се нарича ефаптична връзка. В такъв случай нервната клетка реагира на промяната в електрическия потенциал на околната среда, която се създава от други активни неврони.
Механизмът е важен поради скоростта. При обичайното химическо предаване на сигнала през синапса невронът отделя невромедиатор, молекулите достигат рецепторите на съседната клетка и променят нейното състояние. Електричното поле въздейства върху възбудимостта на околните клетки без междинно химическо предаване. Затова вълната, възникнала в резултат на активността на невроните, теоретично е способна почти веднага да повлияе на следващите импулси и да синхронизира работата на групата клетки.
При това мозъчните вълни могат да се придвижват по кората. Движещите се вълни действително се регистрират в различни части на кората, както и в други структури на мозъка. Пространственото придвижване позволява на един ритъм последователно да променя активността на различни участъци. Според новия модел бета-вълната може да преминава по кората и да определя къде и кога гама-активността ще получи възможност да обработва интензивно сензорните данни. В резултат на това съставът на работещата невронна група може да се променя заедно с движението на вълната. В един участък се засилва обработката на един поток от информация, след което активната област се измества. Авторите считат, че по този начин мозъкът разпределя изчисленията не само във времето, но и в пространството.
Оттук произтича централната идея на новата работа – пространствено-времевите изчисления. Важна е не само честотата на колебанията. Значение имат положението на вълната, посоката на движение, моментът на преминаване през конкретен участък от кората и взаимодействието с други вълни. При среща колебанията могат да се сумират или частично да се гасят взаимно. Физиката на процеса напомня интерференцията на всякакви други вълни.Именно интерференцията позволява да се предположи съществуването на аналогови изчисления в нервната тъкан. Цифровият компютър обработва дискретни състояния чрез поредица от логически операции. Аналоговите изчисления работят с непрекъснато променящи се физически величини и позволяват няколко процеса да протичат паралелно. В мозъка ролята на физическите величини могат да изпълняват амплитудата, фазата и пространственото разпределение на електрическите вълни.
При наслагване на две вълни електрическата активност в една област може да се усили, а в друга – да отслабне. Променя се вероятността за възбуждане на невроните, а заедно с нея се променя и съставът на клетките, включени в обработката на информацията. По този начин самата физика на електрическата активност потенциално участва в изчисленията, а не просто съпътства предаването на сигнали между невроните.
Паралелната обработка се вписва добре в устройството на мозъка. Огромно количество неврони работи едновременно, поради което нервната система не е длъжна да завърши една операция, преди да започне следващата. Различни ритми се разпространяват по кората, пресичат се и регулират локални групи от клетки. Авторите предполагат, че мозъкът използва вече съществуващи електрически процеси като допълнителен изчислителен слой върху относително стабилна мрежа от синаптични връзки.
Засега хипотезата не е доказана пряко. Експериментите потвърждават съществуването на движещи се вълни, взаимодействието между различни ритми, смесената селективност на невроните и влиянието на електрическите полета върху активността на клетките. Наблюденията обаче не са достатъчни, за да се твърди, че интерференцията на вълните наистина изпълнява конкретни аналогови операции. Следващият етап от изследванията трябва да открие в мозъчните ритми измерими признаци на изчисления, които теорията предсказва. Авторите разширяват вълновия модел и върху съзнанието. Според предложената хипотеза съзнателното състояние зависи от способността на мозъчните вълни да съгласуват активността на отдалечени участъци от кората. В нормално състояние различните области получават възможност да обменят влияние и да обединяват локални процеси в голяма координирана система.
Общата анестезия предоставя убедителен аргумент. В предишни експерименти изследователите проучиха три анестетика с различни молекулярни механизми на действие. И трите препарата нарушаваха нормалната динамика на мозъчните вълни и водеха до загуба на съзнание. Съвпадението на резултатите при различни молекулярни мишени подкрепя предположението, че съзнанието зависи от запазването на мащабната вълнова организация на мозъка, а не от работата на един-единствен рецептор или един тип клетки. Отделните неврони и локалните области на мозъка при анестезия не непременно спират напълно да функционират. Променя се начинът на координация на активността между областите. Вълновата теория свързва загубата на съзнание именно с нарушаването на съгласуваната работа на разпределената мрежа.
Хипотезата може да намери практическо приложение, ако по-нататъшни експерименти потвърдят причинната роля на вълните. На мозъчните ритми може да се въздейства с неинвазивни методи, поради което параметрите на електрическите колебания се разглеждат като възможна мишена за бъдещи методи за лечение на нарушения в работата на невронните мрежи. Авторите на изследването вече участват в проучвания на вълновата динамика при аутизъм, но новата теория все още не предлага готов метод за терапия.
Изследователите обръщат внимание и на енергийните разходи. Мозъкът извършва огромно количество паралелни операции при сравнително ниска енергийна консумация. Използването на електрическите полета, които нервната тъкан и без друго създава по време на работа, може да спомага за координирането на невроните, без да е необходимо отделно предаване на всеки управляващ сигнал по дълга поредица от синапси. Сега предстои експериментална проверка на основната част от хипотезата: учените трябва да открият в реалните мозъчни вълни признаци на аналогови изчисления и да покажат, че интерференцията пряко променя обработката на информацията.