Az idegkutatók évtizedekig úgy hitték, hogy az agy egy fejlett Geiger–Müller-számlálóként működik, amelyben a neuronok elsülési gyakorisága hordozza az információkat. A legfrissebb kutatások szerint azonban agyunk inkább hasonlít egy hangszerre, vagyis nemcsak az számít, hogy hányszor sül el egy adott idegsejt, hanem az is, hogy ez mikor történik meg, a többi idegsejt működéséhez képest, hasonlóan a zongora billentyűinek leütéséhez.

Az ezzel kapcsolatos legújabb eredmények Joshua Jacobs, a Columbia kutatója és társai vizsgálataihoz fűződnek, akik az elsők közt igazolták, hogy az agyi aktivitás során a neuronok működésében megfigyelhető időzítés is fontos. Ezt korábban már megfigyelték patkányok agyának bizonyos részeiben, de az új eredmények alapján ez a fajta információkódolás jóval jellemzőbb az emlős agyban, mint eddig hitték.

A jelenséget fázisprecessziónak nevezik, amely egy agyi terület elektromos aktivitását jellemző agyhullámok folytonos ritmusa, illetve az adott régióban található neuronok pontos aktiválódása közötti összefüggést fedi. Arról van szó, hogy míg például a théta agyhullámok időben konzisztens mintázatot mutatnak, az egyes neuronok működése jóval rendszertelenebb, és ezek a hullám különböző pontjain lépnek működésbe.

Mindezt először évtizedekkel ezelőtt figyelték meg patkányoknál a térbeli elhelyezkedéssel kapcsolatos információk tárolásának vizsgálata során. Ez az emberi agyban és a patkányok agyában is úgynevezett helysejtek révén történik, amelyek specifikus régiókra, avagy helymezőkre tagolódnak. Agyunk ezek rendszerére vetíti rá aktuális tartózkodási helyünket, a neuronok révén kódolva az útvonalat, amelyet bejárunk rajta. Minél közelebb kerülünk egy mező közepéhez, annál gyorsabb ütemben sülnek el a helysejtek. Ahogy elhagyjuk az egyik helymezőt, és átlépünk egy másikba, az első mező neuronjainak működése lassan elhal, míg a másodiké egyre szaporábbá válik.

A neuronok elsülésének gyakoriságán túl azonban az aktivitás időzítése is fontos. Ahogy a patkány áthalad egy helymezőn, a hozzá tartozó helysejtek egyre korábban sülnek el a háttérben formálódó théta hullámon. Amikor az átkerül egy másik helymezőre, annak első helysejtje szinte egyszerre sül el a szomszédos helymező utolsó helysejtjének végső aktivitásával. Ezek a csaknem egyszerre történő elsülések megerősítik a sejtek közti kapcsolatot, azaz a szinapszist, és az útvonal adott szakasza ennek révén rögzül az agyban. (A szinapszisok megerősödésére a vizsgálatok szerint csak akkor kerül sor, ha idegsejt elsülése között kevesebb idő telik el a másodperc tízezred részénél.)

A fázisprecesszió a patkányoknál egyértelműen kimutatható, és már denevérekben, illetve selyemmajmokban is sikerült a nyomára akadni, de emberekben mostanáig nem tudták igazolni ezt a működést. Ennek oka, hogy az egyes neuronok működésének monitorozásához igen invazív előkészületekre van szükség, amit alapesetben emberi alanyokon nem hajtanak végre. A Columbia kutatócsoportja sem tett így, hanem egy évekkel ezelőtti vizsgálat eredményeit hasznosították.

Ennek során 13 epilepsziás beteg agyába ültettek elektródákat, hogy rohamaikat részletesen monitorozzák. A résztvevőknek a kísérletek keretében egy virtuális valóságot szimuláló játékot is kellett játszaniuk, amelyben egy virtuális terepen haladtak keresztül egy joystick segítségével. Ezen adatok utólagos elemzése során a kutatóknak sikerült igazolniuk a fázisprecessziót a monitorozott neuronok 12 százalékánál.

Más kutatások alapján a fázisprecesszió a tájékozódáson túl is fontos lehet az emlős agyban. Egyes állatokban már sikerült is kimutatni más agyi régiókban, többek közt a hangok és az illatok feldolgozásának központjaiban. Emberekben egyelőre az időre érzékeny agyi sejtek, és a képsorozatok feldolgozásában szerepet játszó neuronok kapcsán látszik nyoma a jelenségnek.

Mindezen kutatások azt sugallják, hogy a fázisprecesszió révén agyunk időpontok, képek és események sorát is képes lehet egymáshoz kapcsolni, hasonlóan a térbeli pozíciókhoz. Ez pedig azért rendkívül érdekes, mert lehetséges, hogy pontosan ez adja az agy, legalábbis az emlős agy, univerzális kódrendszerének alapjait, mondják a kutatók. Egy ilyen fajta, az időzítésen is alapuló kódrendszer léte révén megmagyarázható lehetne az is, hogyan tanulunk olyan gyorsan, amit pusztán a neuronok elsülési gyakoriságával nem lehet megmagyarázni.

Míg a tanulásra képes mesterséges rendszereknek olykor több száz vagy több ezer alkalommal kell megmutatni egyetlen jelenséget, hogy elsajátítsák azt, az emberi agy egy vagy néhány példa alapján is képes megtanulni valamit. Ez pedig csak úgy lehetséges, ha valami más is van a  háttérben az eddig feltételezett működéseken kívül. Ez lehet a fázisprecesszió, amely már az új információval való első találkozásnál elkezdi megerősíteni a szinapszisokat, majd ezek minden további ismétlésnél egyre könnyebben erősödnek tovább. Bár a jelenséggel kapcsolatban emberi szinten még mindig nagyon kevés a tényleges adat, az új teória kétségkívül izgalmas képet fest arról, hogyan sajátíthatunk el új ismereteket.