認知神經科學的標誌性發現之一是，大腦深處一個名為海馬體的結構與創造記憶密切相關。一位特殊的病人亨利·莫萊森戲劇性地說明了這一事實，他經歷了嚴重的癲癇發作。1953年，當莫萊森27歲時，醫生切除了他大腦兩側的海馬體和附近區域。手術控制了他的癲癇，但也付出了代價——從那時起，他無法記住發生在他身上的事情。他可以學習技能，例如映象書寫，但會對自己的專長感到困惑，因為他不記得自己是如何掌握的。
H.M.（他在世時為了保護隱私而為人所知）教會了科學家三個道理。首先，某些大腦結構——海馬體和杏仁核，大腦的情感中心——專門負責記憶。其次，記憶有不同的種類——回憶事實、個人經歷或騎腳踏車等身體技能的能力——每種都有其自身的特性。第三，記憶與大腦的智力和感知能力不同。
五十年後，這些結論透過對小鼠、大鼠和猴子的實驗室研究以及進一步的臨床觀察得到了加強。短暫性全面遺忘症就是一個例子，這是一種罕見但神秘的記憶喪失，有時由壓力事件引發。患者突然無法回憶起事實或經歷——任何沒有被深刻編碼的東西，例如他的名字。他也變得無法形成新的記憶。運動或感覺功能、判斷力、智力或意識都沒有受損。顧名思義，短暫性全面遺忘症是暫時的，在24小時內消失，幾乎沒有長期影響。但在發作後一兩天內，高解析度成像顯示海馬體特定部位的微小損傷區域。
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在確定了海馬體的關鍵作用之後，下一個問題是：是什麼讓事物令人難忘？在一個人一天中遇到的無數事物中，為什麼有些事物被永久地銘刻下來，而另一些則像肥皂泡一樣消失了呢？科學家們知道，許多因素在決定人們記住什麼方面發揮作用，其中包括這個人付出了多少注意力，體驗有多麼新穎和有趣，以及引發的情緒種類。但是，最近，由加州理工學院霍華德·休斯醫學研究所的神經科學家烏利·魯蒂沙user領導的一個團隊深入研究了海馬體的細胞運作，記錄了當人們吸收和回憶新資訊時單個腦細胞的活動。他們的發現，雖然以動作電位和電頻率的技術語言呈現，但為普魯斯特式的記憶之謎提供了有趣的見解。
比頭髮還細的電極
雖然癲癇治療不如H.M.時代那樣具有侵入性，但它仍然為神經科學的洞察力提供了獨特的機會。為了查明癲癇發作的起源，醫生有時會在受影響的大腦區域植入比頭髮還細的電極。然後在幾天內，他們竊聽患者在醫院病房內說話、看電視、四處走動和睡覺時發生的電活動。
魯蒂沙user和他的同事將他們的記憶實驗附加到這項醫療方案上。他們要求九名正在接受電極監測的癲癇患者觀看100張幻燈片，每張幻燈片都顯示一個人、動物或日常物品（如汽車或工具）的影像。患者有一秒鐘的時間儘可能好地將每張圖片記在腦海中，然後下一張圖片就會出現。研究小組隨後透過向患者展示第二組100張照片來測試患者的回憶能力，其中一半是新照片，一半是初始幻燈片中的重複照片，並要求他們識別哪些是他們已經看過的。在兩次幻燈片展示期間，研究小組使用植入的微電極來跟蹤海馬體和杏仁核中的電活動。
透過這種技術拾取的電場包括各種節律。Delta波——慢腦波，每秒發生一到四次——是深度睡眠的特徵。Beta波，每秒發生12到30次，在人們積極集中注意力時占主導地位。
在中間速度是theta節律，每秒重複三到十次。（為了說明這一點，請考慮當我沿著聖加布裡埃爾山脈陡峭的小徑跑步時，我的心率穩定在每分鐘160次，即每秒2.6次。）
當人們在尋找方向或觀察新事物時——換句話說，當他們正在學習時，theta節律尤其強烈。之前的實驗表明，這些振盪在學習期間越強，發生頻率越高，這個人就越能記住新材料。
因此，魯蒂沙user團隊在患者記憶影像時捕捉到明顯的theta活動並不令人驚訝。但他們的發現更深入。利用靈敏的電子裝置和複雜的軟體，科學家們可以檢測到單個神經元在透過稱為尖峰的全有或全無脈衝向彼此傳送資訊時發出的微弱的斷奏聲音。
研究小組記錄了海馬體和杏仁核中305個神經元的活動。當受試者觀看影像時發生的尖峰總數並不能預測患者是否會在以後回憶起它。（平均而言，參與者識別出初始圖片中的三分之二。）然而，科學家們發現了一些可以預測約五分之一細胞成功回憶的東西。
進入節奏
神經細胞通常不以步調一致的方式運作。它們通常在興奮水平超過閾值時，不規則地發出脈衝。然而，加州理工學院的研究小組發現，神經元節律有時可以高度協調——而這種同步性有助於人們形成持久的記憶。想想一個自由泳游泳運動員。她經常在她的上臂和下臂以及水線形成的三角形內側轉頭呼吸。如果她在爬泳的不同階段呼吸，她很可能會吞下水並失去節奏。這些形成記憶的神經元似乎也是如此。
研究小組發現，在學習階段，如果在螢幕上閃現一張圖片的時刻，海馬體和杏仁核中的神經元尖峰與區域性theta時鐘對齊，患者更有可能記住該影像，並對他們的回憶是準確的感到自信。當人們觀看他們以後無法識別的影像時，單個記憶編碼神經元和整體大腦活動之間的這種協調性大大降低。
這項研究揭示了除了注意力、新穎性和情感影響之外，決定事物令人難忘的另一個因素：時間。神經元總是會對新影像和體驗做出尖峰反應。但是，當尖峰恰好與theta節律一致時，這種協調的電活動會改變大腦的突觸，即神經元之間那些特殊的分子機器，從而使記憶得以形成。
這些微妙的發現有助於解碼記憶的機制——三磅重的粘稠組織如何產生一個擁有無數印象、回憶和數十年積累的知識的頭腦。