在过去的几十年里，研究人员一直致力于揭示大脑如何组织记忆的细节。虽然仍有许多谜团未解，但科学家们已经确定了一个关键事件：一种名为“尖波涟漪”（SWR）的强烈脑波的形成。这个过程是大脑对最近经历的即时回放——是最近经历中神经活动加速的版本。这些涟漪是一种惊人的同步神经交响乐，是数万个细胞在短短100毫秒内放电的产物。任何超出此范围的活动都可能引发癫痫发作。
现在，研究人员开始意识到，SWR可能不仅仅参与记忆形成。最近，一系列备受瞩目的啮齿动物研究表明，大脑使用SWR来预测未来事件。例如，最近的一项实验发现，SWR与前额叶皮层（大脑前部的一个区域，参与未来规划）的活动有关。
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诸如此类的研究已经开始阐明记忆和决策过程之间复杂的关系。加利福尼亚大学旧金山分校的神经科学家洛伦·弗兰克说，直到几年前，大多数关于SWR的研究都只关注它们在创建和巩固记忆中的作用。“他们都没有真正解决这个问题：动物是如何真正地把[记忆]重新调出来的？它如何真正利用它来弄清楚该做什么？”
新的结果也促使我们对海马体（每个耳朵后面一块C形脑组织）的理解发生广泛转变。自从20世纪50年代后期，当该区域与被称为H.M.的患者的记忆丧失联系起来时，研究人员一直关注其在创建和存储记忆中的作用。但是，较新的研究表明，当人们想象在未来执行一项任务时，海马体是活跃的。同样，海马体受损的人无法想象新的体验。海马体不仅允许即时回放——一种心理时间旅行到过去——它还能帮助我们进行心理上的飞跃。
事实上，复杂的规划可能是海马体的真正好处。“这就是拥有记忆的意义，对吧？”弗兰克说。“回到你所拥有的经历，从中提取一般原则，然后利用这些原则来弄清楚下一步该做什么。”
记忆交响乐
纽约大学神经科学家乔治（尤里）·布扎基仍然记得1982年左右的某一天，他第一次听到大脑即时回放的独特声音。当时，他是加拿大西安大略大学的博士后研究员，一位年轻的研究人员试图学习如何记录单个神经元的柔和的砰砰声。
当他将电极插入老鼠大脑组织的一层又一层时，一个连接的扬声器发出了断断续续的神经元噪音。突然，当导线触及海马体底部时，扬声器发出了chhhhh的撞击声。它在不到一秒的时间内消失了，但布扎基惊呆了。“我不知道该如何理解它，”他回忆说。这就像他一直在听一群管弦乐队的乐手闲散地调音，下一刻他们突然团结在一起，演奏出贝多芬第五交响曲中令人兴奋的和谐乐章。“这是我见过的最同步的模式，”他说。
1989年，布扎基发表了一篇开创性的论文，提出海马体中的SWR脑波的目的是帮助组织和巩固记忆。他概述了一个记忆的两阶段模型。在第一阶段，称为主动学习，皮层（大脑外层）不同部分的细胞会广播代表感官信息的信号，例如海鸥的尖叫或海浪的气味。
在布扎基记忆的第二阶段（巩固阶段），海马体接收到那些不同的放电模式，并将它们合成为单个SWR。SWR对记忆进行编码，将其存储在大脑的其他部分，以便将来检索。正如书中索引中的条目列出了所有提到特定单词的页面一样，SWR似乎提供了一个独特的代码，提醒大脑其他部分特定的过去事件。加利福尼亚大学欧文分校和加拿大莱斯布里奇大学的神经生物学家布鲁斯·麦克诺顿说：“我们称之为索引代码。”凭借其独特的代码，SWR使我们能够存储从各种感官输入中组装而成的连贯记忆。
1994年，麦克诺顿和他的同事马修·威尔逊（现为麻省理工学院的神经科学家）在科学杂志上发表了一篇论文，为记忆巩固理论提供了第一个直接证据。科学家们已经知道，SWR只在动物睡觉、麻醉或处于静止状态时才会出现。他们还知道，当动物跑过一个简单的迷宫时，神经元以某种模式放电。麦克诺顿和威尔逊将大型电极阵列插入老鼠的大脑中，并监测这些模式。他们发现，老鼠在跑过迷宫时产生的特定神经模式会稍后以SWR的形式重复出现。研究人员推测，这种在睡眠期间重放体验的方式，在某种程度上是大脑将记忆从海马体转移到皮层的长期存储中的一部分。
在接下来的二十年里，研究人员证实SWR是记忆巩固的一个关键组成部分，而且不仅仅是在睡眠期间。2006年，威尔逊和他的博士后研究员大卫·福斯特在自然杂志上报道说，当老鼠沿着一条直线轨道前进时发生的脑活动序列也会在之后的休息期间以精确的顺序重放。有趣的是，研究人员发现这种模式是反向放电的——老鼠首先回顾了它最近的经历，也许是因为这些记忆对它当前的状态最有用。
决策树
在过去的几年里，许多研究小组一直在研究动物如何使用这些即时回放来指导行为。洛伦·弗兰克的团队深入研究了这个问题，他们训练老鼠在形状像旋转90度的E形的金属轨道上奔跑。当动物遵循某种模式时，它们会得到奖励：从中间臂到左臂，然后再回到中间，然后再到右臂，然后再回到中间，以此类推。为了成功做到这一点，它们必须学习两条规则。第一条很容易：如果我在外臂，就去中间。第二条规则需要更多的思考：如果我在中间臂，就去我刚刚没有来的外臂。
当老鼠在中间臂停顿时，它们的海马体会发出SWR，这些代码代表了动物刚刚在迷宫中走过的路径。这就像动物停下来思考：我刚刚从哪里来？我下一步应该去哪里？在2012年发表在科学杂志上的一项研究中，弗兰克和他的同事表明，这些SWR对于学习这项任务至关重要。当研究人员用电刺激消灭SWR时，老鼠再也无法学习交替迷宫模式。它们学会了第一步——出去然后回来——但没有学会第二步。弗兰克推测，SWR将老鼠的直接过去信息（它刚刚做了什么）与它接下来需要做什么整合在一起。
然而，一些神经科学家并不认为SWR与计划、决策以及其他依赖于许多大脑区域协调活动的复杂行为密切相关。令人惊讶的是，布扎基是怀疑论者之一，他认为SWR仅限于记忆巩固。“我喜欢尖波，我尽可能地推广这些[研究]，”他说。“但我有点谨慎。”
他指出，SWR只持续很短的时间，大约100毫秒。“这太短了，无法唤醒整个大脑，”他说，并引用研究表明，做出有意识的决定至少需要500毫秒。更重要的是，SWR经常在没有做出决定时发生。“如果它们与决策有关，那么你就会期望它们在你在完全清醒时发生，而不是在半睡半醒时发生，”他说。
长距离连接
如果SWR真的参与计划和决策，那么它们必须以某种方式与海马体以外的大脑区域进行交流。“第一个问题是，大脑的其他部分是否在意？”弗兰克问道。根据他最新的研究，答案是肯定的。“大脑的其他部分确实在意，而且非常在意。”
在这项研究中，弗兰克的团队再次使用了三臂轨道，但这次研究人员记录了老鼠前额叶皮层（与未来规划相关的区域）的神经元在动物海马体发出SWR的精确时间时的反应。弗兰克发现，SWR代码与前额叶皮层的放电模式高度同步。
他发现，在尖波涟漪（SWR）期间，大约三分之一的前额叶皮层神经元的放电活动会发生变化。弗兰克在六月份于希腊圣托里尼举行的Areadne会议上介绍了这项研究，他说，这是首次发现动物清醒时SWR与前额叶皮层之间存在如此紧密、协调的联系。“看起来海马体和这个相距甚远的前额叶大脑区域之间存在一种非常强大的沟通模式。”
布扎基对海马体与大脑其他区域之间相互作用的证据感到兴奋。他引用了2012年《自然》杂志上的一项研究，该研究中，研究人员扫描了麻醉状态下的猴子的大脑，结果显示，SWR似乎激活了大部分皮层，同时抑制了非皮层区域。
“他们的观察结果非常显著，”布扎基说。“海马体可以延伸到皮层的广泛区域。” 当他最初提出SWR参与记忆巩固的理论时，布扎基认为这些相互作用在某种程度上是单向的，即皮层在学习期间向海马体发送信息，而海马体在记忆巩固期间向皮层发送信息。但现在他怀疑皮层和海马体之间的沟通是多层面的。“现在情况更复杂了，也更美妙了，”他说。
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