儘管我們的身體頑固地停留在現即時間中，但我們的思想可以在過去和未來之間穿梭，並在瞬間跳躍大量的時間跨度。這種壯舉依賴於大腦在發生事件時不斷儲存資訊，同時也檢索過去事件的精簡版本的能力。直到現在，科學家們還不確定大腦是如何同時處理這些相互競爭的任務的。
德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員發現證據表明，在大腦的空間系統中，這種平衡是透過決鬥的電頻率來實現的。他們對大鼠的研究結果表明，海馬體（對記憶形成至關重要的區域）會在兩種頻率之間快速切換，以同時處理當前環境，並提供先前經驗中編碼的定向線索。“海馬體必須有一種方法，可以防止正在發生的並被編碼到新記憶儲存中的資訊，干擾先前儲存的記憶的召回或檢索，”該研究的資深作者、德克薩斯大學奧斯汀分校的神經科學家勞拉·科爾金解釋說。她的發現可能對精神分裂症的治療具有意義，並且它們也為另一個精神之謎提供了線索——大腦如何在短短幾秒鐘內重播一整天的記憶。
決鬥的腦波
在最近發表在《神經元》雜誌上的這項新研究中，科爾金的團隊記錄了一種名為“位置細胞”的海馬細胞的電活動。位置細胞的啟用對應於空間中的特定位置。當大鼠在迷宮中導航時，研究人員可以透過哪些位置細胞正在放電來判斷大鼠在迷宮中的位置，或者大鼠正在思考迷宮的哪個部分。
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像大腦的所有神經元一樣，位置細胞產生以波形振盪的電訊號。特別是，過去的研究表明，當位置細胞編碼和壓縮空間記憶時，它們會產生 theta 波，這種波以相對較慢的長波頻率執行。但是這些 theta 振盪並非單獨工作。它們還包含較短且更頻繁的伽馬節律，這些節律像摺疊的手風琴風箱一樣巢狀在其中。
伽馬振盪有助於記憶壓縮，布蘭代斯大學的神經科學家約翰·利斯曼解釋說，他是 theta-伽馬編碼的專家，但沒有參與目前的研究。當每個伽馬頻率的電活動波出現時，它會將新的資訊片段傳遞給相互作用的 theta 波。一個總體的 theta 波看到幾個伽馬編碼的記憶線索，這些線索相對於更長的 theta 波有效地形成了壓縮的精彩片段。
在 2009 年發表在《自然》雜誌上的一項研究中，科爾金和她的同事描述了大鼠海馬體中這些 theta-伽馬相互作用的另一個複雜層面，證明伽馬波的振盪頻率因任務而異。例如，當海馬體與大腦中繼來自外部世界的即時感官資訊的區域通訊時，該團隊看到了由所謂的“快速”伽馬節律支援的 theta 訊號，這些節律以 60 到 100 赫茲的頻率振盪。第二組之前未被重視的“慢速”伽馬節律（在 25 到 55 赫茲範圍內的電波）似乎在海馬體與大腦的另一個部分交換資訊時與 theta 波相互作用，該部分重放記憶並計劃在空間和時間中的運動，科爾金解釋說。
這些結果暗示快速伽馬節律可能正在傳輸有關環境的即時資訊，而慢速伽馬節律可能正在傳遞與記憶檢索相關的資訊。
來自位置細胞的線索
在他們目前的分析中，科爾金和她的同事發現了新的、更有力的證據，表明快速伽馬節律確實負責根據動物的當前經驗對新資訊進行編碼。在記錄了七隻大鼠在每天三個 10 分鐘的會話中穿過短線性軌道時海馬位置細胞的電訊號後，該團隊研究了 theta 波和伽馬波如何與每隻大鼠在軌道上的實際位置相吻合。
當位置細胞活動與大鼠在軌道上的當前位置相匹配時，研究人員發現 theta 序列與較短的波、快速伽馬訊號相互作用，這些訊號已被懷疑處理即時空間資訊。但是，當位置細胞活動代表大鼠當前位置之前的位置時，慢速伽馬波取代了快速伽馬波——這可能反映了動物對即將到來的路線的記憶和對前方軌道的預期。“想法是，動物實際上在到達那裡之前正在檢索該位置的表徵，”科爾金解釋說。
新的結果有力地證明了不同頻率的腦波將傳入資訊和記憶檢索分開——這對人類的疾病具有影響。科爾金說，如果慢速伽馬頻率確實可以防止真實或想象的記憶干擾新資訊編碼，反之亦然，那麼這兩種腦頻率可能會在諸如精神分裂症等疾病中混淆。事實上，研究人員已經在該疾病的動物模型中檢測到海馬體與其他大腦區域之間慢速伽馬同步性減弱，從而支援了該理論。未來的療法可能會嘗試幫助增加伽馬同步性，並將想法與新的感官資訊分開，儘管如何實現這一壯舉仍然未知。
記憶是如何壓縮的
在這項新研究中，研究人員還發現了第二個發現，這可能是關於大腦如何壓縮記憶的線索。利用從 theta 序列中解開的位置細胞模式，研究人員發現，當大鼠使用慢速伽馬節律時，每毫秒代表的軌道數量出現了跳躍，即使這種節律在任何給定時間範圍內產生的新電波比更高頻率的快速伽馬節律少。
根據大鼠似乎預測即將到來的軌道部分的速度，研究人員推測單個慢速伽馬波必須包含多個資訊片段，這意味著在已經壓縮的 theta-伽馬編碼中存在另一個壓縮級別。這種額外的壓縮程度可以解釋為什麼我們能夠在短短幾秒鐘內重播數分鐘或數小時活動的記憶。
利斯曼不相信額外的壓縮解釋，儘管他稱讚科爾金和她的團隊揭示了慢速伽馬頻率在海馬體中的功能作用。他解釋說，為了完成每個伽馬波包含多個資訊片段所需的超快速編碼，神經元必須區分僅相隔幾毫秒出現的資訊片段，這比當前生物物理學估計所說的速度更快。
加州大學舊金山分校的神經科學研究員洛倫·弗蘭克研究海馬體的空間編碼，但沒有參與這項研究，他不像作者那樣懷疑他們的解釋，他說這“非常有道理”。
他說：“這表明與記憶相關的事情可能發生得非常非常快，”他指出，組成每個慢速伽馬訊號的電訊號可能代表能夠進行非常快速編碼的多個級別的細胞組織。“看到結果我感到很驚訝，”弗蘭克承認，“但我認為沒有理由認為大腦不能做這樣的事情。”