在過去的幾十年裡，研究人員一直致力於揭示大腦如何組織記憶的細節。雖然仍有許多謎團未解，但科學家們已經確定了一個關鍵事件：一種名為“尖波漣漪”（SWR）的強烈腦波的形成。這個過程是大腦對最近經歷的即時回放——是最近經歷中神經活動加速的版本。這些漣漪是一種驚人的同步神經交響樂，是數萬個細胞在短短100毫秒內放電的產物。任何超出此範圍的活動都可能引發癲癇發作。
現在，研究人員開始意識到，SWR可能不僅僅參與記憶形成。最近，一系列備受矚目的齧齒動物研究表明，大腦使用SWR來預測未來事件。例如，最近的一項實驗發現，SWR與前額葉皮層（大腦前部的一個區域，參與未來規劃）的活動有關。
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諸如此類的研究已經開始闡明記憶和決策過程之間複雜的關係。加利福尼亞大學舊金山分校的神經科學家洛倫·弗蘭克說，直到幾年前，大多數關於SWR的研究都只關注它們在建立和鞏固記憶中的作用。“他們都沒有真正解決這個問題：動物是如何真正地把[記憶]重新調出來的？它如何真正利用它來弄清楚該做什麼？”
新的結果也促使我們對海馬體（每個耳朵後面一塊C形腦組織）的理解發生廣泛轉變。自從20世紀50年代後期，當該區域與被稱為H.M.的患者的記憶喪失聯絡起來時，研究人員一直關注其在建立和儲存記憶中的作用。但是，較新的研究表明，當人們想象在未來執行一項任務時，海馬體是活躍的。同樣，海馬體受損的人無法想象新的體驗。海馬體不僅允許即時回放——一種心理時間旅行到過去——它還能幫助我們進行心理上的飛躍。
事實上，複雜的規劃可能是海馬體的真正好處。“這就是擁有記憶的意義，對吧？”弗蘭克說。“回到你所擁有的經歷，從中提取一般原則，然後利用這些原則來弄清楚下一步該做什麼。”
記憶交響樂
紐約大學神經科學家喬治（尤里）·布扎基仍然記得1982年左右的某一天，他第一次聽到大腦即時回放的獨特聲音。當時，他是加拿大西安大略大學的博士後研究員，一位年輕的研究人員試圖學習如何記錄單個神經元的柔和的砰砰聲。
當他將電極插入老鼠大腦組織的一層又一層時，一個連線的揚聲器發出了斷斷續續的神經元噪音。突然，當導線觸及海馬體底部時，揚聲器發出了chhhhh的撞擊聲。它在不到一秒的時間內消失了，但布扎基驚呆了。“我不知道該如何理解它，”他回憶說。這就像他一直在聽一群管絃樂隊的樂手閒散地調音，下一刻他們突然團結在一起，演奏出貝多芬第五交響曲中令人興奮的和諧樂章。“這是我見過的最同步的模式，”他說。
1989年，布扎基發表了一篇開創性的論文，提出海馬體中的SWR腦波的目的是幫助組織和鞏固記憶。他概述了一個記憶的兩階段模型。在第一階段，稱為主動學習，皮層（大腦外層）不同部分的細胞會廣播代表感官資訊的訊號，例如海鷗的尖叫或海浪的氣味。
在布扎基記憶的第二階段（鞏固階段），海馬體接收到那些不同的放電模式，並將它們合成為單個SWR。SWR對記憶進行編碼，將其儲存在大腦的其他部分，以便將來檢索。正如書中索引中的條目列出了所有提到特定單詞的頁面一樣，SWR似乎提供了一個獨特的程式碼，提醒大腦其他部分特定的過去事件。加利福尼亞大學歐文分校和加拿大萊斯布里奇大學的神經生物學家布魯斯·麥克諾頓說：“我們稱之為索引程式碼。”憑藉其獨特的程式碼，SWR使我們能夠儲存從各種感官輸入中組裝而成的連貫記憶。
1994年，麥克諾頓和他的同事馬修·威爾遜（現為麻省理工學院的神經科學家）在科學雜誌上發表了一篇論文，為記憶鞏固理論提供了第一個直接證據。科學家們已經知道，SWR只在動物睡覺、麻醉或處於靜止狀態時才會出現。他們還知道，當動物跑過一個簡單的迷宮時，神經元以某種模式放電。麥克諾頓和威爾遜將大型電極陣列插入老鼠的大腦中，並監測這些模式。他們發現，老鼠在跑過迷宮時產生的特定神經模式會稍後以SWR的形式重複出現。研究人員推測，這種在睡眠期間重放體驗的方式，在某種程度上是大腦將記憶從海馬體轉移到皮層的長期儲存中的一部分。
在接下來的二十年裡，研究人員證實SWR是記憶鞏固的一個關鍵組成部分，而且不僅僅是在睡眠期間。2006年，威爾遜和他的博士後研究員大衛·福斯特在自然雜誌上報道說，當老鼠沿著一條直線軌道前進時發生的腦活動序列也會在之後的休息期間以精確的順序重放。有趣的是，研究人員發現這種模式是反向放電的——老鼠首先回顧了它最近的經歷，也許是因為這些記憶對它當前的狀態最有用。
決策樹
在過去的幾年裡，許多研究小組一直在研究動物如何使用這些即時回放來指導行為。洛倫·弗蘭克的團隊深入研究了這個問題，他們訓練老鼠在形狀像旋轉90度的E形的金屬軌道上奔跑。當動物遵循某種模式時，它們會得到獎勵：從中間臂到左臂，然後再回到中間，然後再到右臂，然後再回到中間，以此類推。為了成功做到這一點，它們必須學習兩條規則。第一條很容易：如果我在外臂，就去中間。第二條規則需要更多的思考：如果我在中間臂，就去我剛剛沒有來的外臂。
當老鼠在中間臂停頓時，它們的海馬體會發出SWR，這些程式碼代表了動物剛剛在迷宮中走過的路徑。這就像動物停下來思考：我剛剛從哪裡來？我下一步應該去哪裡？在2012年發表在科學雜誌上的一項研究中，弗蘭克和他的同事表明，這些SWR對於學習這項任務至關重要。當研究人員用電刺激消滅SWR時，老鼠再也無法學習交替迷宮模式。它們學會了第一步——出去然後回來——但沒有學會第二步。弗蘭克推測，SWR將老鼠的直接過去資訊（它剛剛做了什麼）與它接下來需要做什麼整合在一起。
然而，一些神經科學家並不認為SWR與計劃、決策以及其他依賴於許多大腦區域協調活動的複雜行為密切相關。令人驚訝的是，布扎基是懷疑論者之一，他認為SWR僅限於記憶鞏固。“我喜歡尖波，我儘可能地推廣這些[研究]，”他說。“但我有點謹慎。”
他指出，SWR只持續很短的時間，大約100毫秒。“這太短了，無法喚醒整個大腦，”他說，並引用研究表明，做出有意識的決定至少需要500毫秒。更重要的是，SWR經常在沒有做出決定時發生。“如果它們與決策有關，那麼你就會期望它們在你在完全清醒時發生，而不是在半睡半醒時發生，”他說。
長距離連線
如果SWR真的參與計劃和決策，那麼它們必須以某種方式與海馬體以外的大腦區域進行交流。“第一個問題是，大腦的其他部分是否在意？”弗蘭克問道。根據他最新的研究，答案是肯定的。“大腦的其他部分確實在意，而且非常在意。”
在這項研究中，弗蘭克的團隊再次使用了三臂軌道，但這次研究人員記錄了老鼠前額葉皮層（與未來規劃相關的區域）的神經元在動物海馬體發出SWR的精確時間時的反應。弗蘭克發現，SWR程式碼與前額葉皮層的放電模式高度同步。
他發現，在尖波漣漪（SWR）期間，大約三分之一的前額葉皮層神經元的放電活動會發生變化。弗蘭克在六月份於希臘聖托里尼舉行的Areadne會議上介紹了這項研究，他說，這是首次發現動物清醒時SWR與前額葉皮層之間存在如此緊密、協調的聯絡。“看起來海馬體和這個相距甚遠的前額葉大腦區域之間存在一種非常強大的溝通模式。”
布扎基對海馬體與大腦其他區域之間相互作用的證據感到興奮。他引用了2012年《自然》雜誌上的一項研究，該研究中，研究人員掃描了麻醉狀態下的猴子的大腦，結果顯示，SWR似乎激活了大部分皮層，同時抑制了非皮層區域。
“他們的觀察結果非常顯著，”布扎基說。“海馬體可以延伸到皮層的廣泛區域。” 當他最初提出SWR參與記憶鞏固的理論時，布扎基認為這些相互作用在某種程度上是單向的，即皮層在學習期間向海馬體傳送資訊，而海馬體在記憶鞏固期間向皮層傳送資訊。但現在他懷疑皮層和海馬體之間的溝通是多層面的。“現在情況更復雜了，也更美妙了，”他說。
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