尽管我们的身体顽固地停留在现实时间中，但我们的思想可以在过去和未来之间穿梭，并在瞬间跳跃大量的时间跨度。这种壮举依赖于大脑在发生事件时不断存储信息，同时也检索过去事件的精简版本的能力。直到现在，科学家们还不确定大脑是如何同时处理这些相互竞争的任务的。
德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员发现证据表明，在大脑的空间系统中，这种平衡是通过决斗的电频率来实现的。他们对大鼠的研究结果表明，海马体（对记忆形成至关重要的区域）会在两种频率之间快速切换，以同时处理当前环境，并提供先前经验中编码的定向线索。“海马体必须有一种方法，可以防止正在发生的并被编码到新记忆存储中的信息，干扰先前存储的记忆的召回或检索，”该研究的资深作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的神经科学家劳拉·科尔金解释说。她的发现可能对精神分裂症的治疗具有意义，并且它们也为另一个精神之谜提供了线索——大脑如何在短短几秒钟内重播一整天的记忆。
决斗的脑波
在最近发表在《神经元》杂志上的这项新研究中，科尔金的团队记录了一种名为“位置细胞”的海马细胞的电活动。位置细胞的激活对应于空间中的特定位置。当大鼠在迷宫中导航时，研究人员可以通过哪些位置细胞正在放电来判断大鼠在迷宫中的位置，或者大鼠正在思考迷宫的哪个部分。
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像大脑的所有神经元一样，位置细胞产生以波形振荡的电信号。特别是，过去的研究表明，当位置细胞编码和压缩空间记忆时，它们会产生 theta 波，这种波以相对较慢的长波频率运行。但是这些 theta 振荡并非单独工作。它们还包含较短且更频繁的伽马节律，这些节律像折叠的手风琴风箱一样嵌套在其中。
伽马振荡有助于记忆压缩，布兰代斯大学的神经科学家约翰·利斯曼解释说，他是 theta-伽马编码的专家，但没有参与目前的研究。当每个伽马频率的电活动波出现时，它会将新的信息片段传递给相互作用的 theta 波。一个总体的 theta 波看到几个伽马编码的记忆线索，这些线索相对于更长的 theta 波有效地形成了压缩的精彩片段。
在 2009 年发表在《自然》杂志上的一项研究中，科尔金和她的同事描述了大鼠海马体中这些 theta-伽马相互作用的另一个复杂层面，证明伽马波的振荡频率因任务而异。例如，当海马体与大脑中继来自外部世界的即时感官信息的区域通信时，该团队看到了由所谓的“快速”伽马节律支持的 theta 信号，这些节律以 60 到 100 赫兹的频率振荡。第二组之前未被重视的“慢速”伽马节律（在 25 到 55 赫兹范围内的电波）似乎在海马体与大脑的另一个部分交换信息时与 theta 波相互作用，该部分重放记忆并计划在空间和时间中的运动，科尔金解释说。
这些结果暗示快速伽马节律可能正在传输有关环境的即时信息，而慢速伽马节律可能正在传递与记忆检索相关的信息。
来自位置细胞的线索
在他们目前的分析中，科尔金和她的同事发现了新的、更有力的证据，表明快速伽马节律确实负责根据动物的当前经验对新信息进行编码。在记录了七只大鼠在每天三个 10 分钟的会话中穿过短线性轨道时海马位置细胞的电信号后，该团队研究了 theta 波和伽马波如何与每只大鼠在轨道上的实际位置相吻合。
当位置细胞活动与大鼠在轨道上的当前位置相匹配时，研究人员发现 theta 序列与较短的波、快速伽马信号相互作用，这些信号已被怀疑处理即时空间信息。但是，当位置细胞活动代表大鼠当前位置之前的位置时，慢速伽马波取代了快速伽马波——这可能反映了动物对即将到来的路线的记忆和对前方轨道的预期。“想法是，动物实际上在到达那里之前正在检索该位置的表征，”科尔金解释说。
新的结果有力地证明了不同频率的脑波将传入信息和记忆检索分开——这对人类的疾病具有影响。科尔金说，如果慢速伽马频率确实可以防止真实或想象的记忆干扰新信息编码，反之亦然，那么这两种脑频率可能会在诸如精神分裂症等疾病中混淆。事实上，研究人员已经在该疾病的动物模型中检测到海马体与其他大脑区域之间慢速伽马同步性减弱，从而支持了该理论。未来的疗法可能会尝试帮助增加伽马同步性，并将想法与新的感官信息分开，尽管如何实现这一壮举仍然未知。
记忆是如何压缩的
在这项新研究中，研究人员还发现了第二个发现，这可能是关于大脑如何压缩记忆的线索。利用从 theta 序列中解开的位置细胞模式，研究人员发现，当大鼠使用慢速伽马节律时，每毫秒代表的轨道数量出现了跳跃，即使这种节律在任何给定时间范围内产生的新电波比更高频率的快速伽马节律少。
根据大鼠似乎预测即将到来的轨道部分的速度，研究人员推测单个慢速伽马波必须包含多个信息片段，这意味着在已经压缩的 theta-伽马编码中存在另一个压缩级别。这种额外的压缩程度可以解释为什么我们能够在短短几秒钟内重播数分钟或数小时活动的记忆。
利斯曼不相信额外的压缩解释，尽管他称赞科尔金和她的团队揭示了慢速伽马频率在海马体中的功能作用。他解释说，为了完成每个伽马波包含多个信息片段所需的超快速编码，神经元必须区分仅相隔几毫秒出现的信息片段，这比当前生物物理学估计所说的速度更快。
加州大学旧金山分校的神经科学研究员洛伦·弗兰克研究海马体的空间编码，但没有参与这项研究，他不像作者那样怀疑他们的解释，他说这“非常有道理”。
他说：“这表明与记忆相关的事情可能发生得非常非常快，”他指出，组成每个慢速伽马信号的电信号可能代表能够进行非常快速编码的多个级别的细胞组织。“看到结果我感到很惊讶，”弗兰克承认，“但我认为没有理由认为大脑不能做这样的事情。”