1955年，当时我刚进入哥大不久，格伦德费斯特建议我同多明尼克·普尔普拉一起工作。他是一名年轻的医生，在格伦德费斯特的鼓励之下改变了职业，从神经外科转向脑基础研究（图7-1）。当我见到多姆①时，他刚刚决定要把研究工作聚焦于大脑中最为发达的区域——大脑皮层。多姆对能改变心智的药物很感兴趣，我协助他做的第一个实验就关于迷幻药 LSD（麦角酸二乙胺）在视幻觉的产生中扮演的角色。
图7-1 多明尼克·普尔普拉（生于1927年）起初是一名神经外科医生，后转向全职研究工作，并成为大脑皮层生理学研究的主要贡献者。我在格伦德费斯特实验室时，于1955—1956年间同他一道工作。他后来成为斯坦福大学的学术领袖，再后来进入阿尔伯特·爱因斯坦医学院。（来自埃里克·坎德尔的个人收藏）
LSD 于20世纪40年代被发现②。到了50年代中期，它已经因其在休闲娱乐活动中的大量使用变得广为人知。阿道司·赫胥黎在《众妙之门》一书中宣传了 LSD 改变心智的作用，据他描述，LSD 增强了他对自己视觉体验的意识，让他觉知到强烈且明亮的色彩映像和愈发明晰的感受。LSD 及相关迷幻药能够改变我们的知觉、思维和感受，而我们平时只能在梦境，或纯粹的宗教体验中才能经历类似的改变，这一点将它们与其他类别的药物明确地区分开来。服用了 LSD 的人常常会感觉到他们的心灵扩张并分裂成了两部分：一部分是有序的，体验到被增强的知觉效应；另一半是被动的，以一个不相干的局外人视角观察着周围发生的一切。注意力转向了自身内部，而自我和非自我间的明确界限消失了，这让 LSD 使用者感到自己成了宇宙的一部分。很多人的知觉扭曲以视幻觉的形式体现，一部分人甚至会产生类似精神分裂症的幻觉反应。因为 LSD 有这些显著的性状，多姆想知道它是如何起作用的。
一年前，洛克菲勒研究所的两位药理学家迪尔沃思·伍莱和埃利奥特·肖发现 LSD 和血清素结合在同样的受体上。血清素是最近刚在脑中发现的物质，被认为是一种神经递质。他们使用的是实验药理学家青睐的材料——大鼠子宫的平滑肌，它遇到血清素就会自发收缩。LSD 则通过取代与受体结合的血清素而抵消了这一效应。伍莱和肖由此认为 LSD 可能会在脑中抵消血清素的效应。他们进一步认为，LSD 是通过阻碍脑中血清素发挥其正常作用来引发幻觉反应的。如果确实如此，那么血清素对于我们保持神智清楚——使心智功能正常运转——应该非常重要。
虽然多姆对用子宫平滑肌来检验脑中的化学物质这一想法没有异议，但他想做一些相关性更强的测试来检验心理健康和疾病的脑功能运作，即通过直接观察大脑来研究迷幻药如何起作用。他尤其想知道 LSD 是否影响了视觉皮层中的突触活动，这一脑区与视知觉相关，被认为是那些戏剧性的视觉扭曲和幻觉发生的地方。他让我协助他探索血清素在猫的一条通向视觉皮层的神经通路中的作用。
我们麻醉动物，打开它们的头盖骨，使大脑暴露出来，并把电极插在视觉皮层表面。我们发现在视觉皮层中，血清素和 LSD 并没有像它们在子宫平滑肌中那样产生相反的作用。它们二者不仅产生了同样的作用——抑制突触信号传导，而且还各自增强了对方的抑制作用。因此，我们以及其他实验室后续的研究似乎否定了伍莱和肖的观点，他们认为 LSD 的迷幻视觉效果是由于它阻断了视觉系统中血清素的作用（现在我们知道，血清素在整个脑中作用于多达18种不同的受体，而 LSD 似乎只是通过刺激这些受体中位于大脑额叶的那一种来产生致幻效果）。
这个结果非常不错。在研究过程中，我从多姆那里学到如何设置用猫作为实验动物的实验以及如何操作电信号记录仪和引发刺激的设备。让我感到惊讶的是，我发现自己的首次实验室经历引人入胜，这与我之前在本科和医学院教室里学到的枯燥的科学知识非常不同。在实验室里，科学是一种方法，用来提出有趣的关于自然的研究问题、讨论这些问题的重要性和条理性、进而设计一系列实验来探索特定问题的可能答案。
格伦德费斯特和普尔普拉正在探索的问题并不与自我、超我或本我直接相关，但他们让我认识到，神经科学正逐渐发展得能够去研究主要心理疾病的某些方面，如精神分裂症的知觉扭曲和幻觉。
更重要的是，我感到与格伦德费斯特和普尔普拉的讨论很吸引人——他们看问题很透彻，有时还会颇为八卦地谈论一些其他科学家的工作、事业和风流韵事。多姆非常聪明，技术过硬而且极具幽默感（我后来把他称作神经生物学界的伍迪·艾伦③）。我开始认识到，做科研，特别是在美国实验室里做科研，之所以会如此与众不同，不只是因为那些实验本身，更多的是因为其中的社交氛围，学生和老师之间的地位是平等的，大家相互公开、持续、坦率而不留情面地交流想法、开展批评。格伦德费斯特和普尔普拉相互仰慕并共同设计实验，但他在挑剔多姆的数据时就像挑剔来自其他实验室的竞争对手那样严厉。格伦德费斯特对实验室成员的要求决不会比对其他人的要求宽松。
我从格伦德费斯特和普尔普拉，以及后来从格伦德费斯特的年轻同事斯坦利·克雷恩那里所学到的，除了一些从脑生物学研究中涌现出的重要新颖的想法，还有方法和策略。从更大的意义上讲，就像1938年我年少时在维也纳留下的痛苦回忆后来一直萦绕心间一样，我在25岁时获得的这些早期的积极研究经历和接受的想法，对我的思想和毕生研究也有着重要影响。
血清素和 LSD 的有关发现激励着多姆进一步开展在当时还属于前沿领域的哺乳动物皮层研究。我们用闪光来刺激视觉皮层，这些刺激激活了一条终止于视觉皮层神经元树突的通路。我们对树突所知甚少，特别是不知道它们是否能够像轴突那样产生动作电位。普尔普拉和格伦德费斯特在他们研究的基础上，提出树突有着有限的电学性质：它们能够产生突触电位，但不能产生动作电位。
由于格伦德费斯特和普尔普拉不确定他们所用的实验方法是否适用于研究树突，他们做出的这个结论只是试探性的。为了检测 LSD 在突触传递中引起的变化，格伦德费斯特和普尔普拉需要获得来自视觉皮层神经元树突的细胞内记录，而且是每次记录一个树突。这就需要使用卡茨在单个肌肉纤维中以及埃克尔斯在单个运动神经元中用到的那种细玻璃电极。经过讨论他们得出结论，由于视觉皮层的神经元远小于卡茨和埃克尔斯研究的细胞，进行细胞内记录很难成功。只有胞体二十分之一大小的细长树突，似乎不可能成为记录的对象。
就是在这样的背景之下，我又一次邂逅了斯蒂芬·库夫勒。一天傍晚，格伦德费斯特扔给我一期《普通生理学期刊》，上面刊载了库夫勒基于他对螯虾单个神经细胞及其树突所做的研究而写成的三篇论文。我觉得一位同时代神经生理学家能研究螯虾是件很棒的事情：在弗洛伊德的早期科研论文中，有一篇发表于1882年，当时他年仅26岁，研究的正是螯虾的神经细胞！正是在这项研究中，弗洛伊德几乎就要做出一个独立于卡哈尔的发现，即发现神经细胞胞体和它的突起是脑信号传导的一个单元。
我尽最大的努力仔细阅读了库夫勒的论文。尽管不能完全理解其内容，但我当时就产生了一个清晰的想法：库夫勒所做的，正是普尔普拉和格伦德费斯特在哺乳动物脑中想做但没能做到的。他研究的是单个孤立神经细胞的树突。排除了其他神经细胞的干扰后，库夫勒可以看清树突的分枝并记录它们的电变化结果。
库夫勒的论文让我们深刻地认识到，选择一个解剖学上简单的系统对实验的成功至关重要，而无脊椎动物就是简单系统的宝库。这些论文还提醒了我，实验系统的选择是一个生物学家要做出的最重要决定之一，之前我就在霍奇金和赫胥黎关于乌贼巨大轴突的研究及卡茨关于乌贼巨大突触的研究中了解过这一点。
上述洞见对我产生了重大影响，我渴望自己动手来直接检验这一新颖的研究策略。我脑子里并没有特定的想法，但我正在开始像一名生物学家那样思考。我理解所有的动物都有某种形式的心理体验，它们反映了其神经系统的构造，我还知道我想在细胞水平上研究神经系统的功能。总之，当时我就知道，将来有一天我会用一种无脊椎动物来检验某个想法。
1956年从医学院毕业后，我在纽约市的蒙蒂菲奥里医院当了一年实习医师。1957年春，在实习期间的一个短期选修阶段，我回到了格伦德费斯特的实验室，花了6个星期和斯坦利·克雷恩待在一起，他是位使用简单系统的高手。我选他是因为他作为一名细胞生物学家，非常善于寻找合适的实验系统来解决重要问题。克雷恩是最早研究单个孤立神经细胞性状的科学家之一，他们把神经细胞从脑中取出，与其他细胞分离开，通过组织培养生长。没有比这更简单的系统了！
格伦德费斯特了解到我对无脊椎动物特别是螯虾怀有日渐增长的好奇心，于是他建议我在克雷恩的帮助下建立一个电生理记录系统。我可以用这个系统复制霍奇金和赫胥黎的实验，记录螯虾的大轴突，它具有控制尾巴逃避捕食者的作用。螯虾轴突虽然比乌贼的要小，但也相当大了。
克雷恩向我展示了如何制作用来插入单个轴突的玻璃微电极以及如何获取和解读来自轴突的电记录。在进行这些实验的过程中——由于我并没有探索新的科学性或概念性问题，这些实验几乎都属于操作训练——我第一次感觉到了为自己工作的兴奋劲。我将记录电信号的放大器的输出端与扩音器连到一起，阿德里安30年前就是这么干的。每当我插入一个细胞，我也会像他那样听到动作电位的噼啪声。我并不喜欢枪声，但却陶醉于动作电位“梆！梆！梆！”的声音。我已经成功地穿刺了轴突并真正聆听到了螯虾脑的信息传输，这让我产生了一种美妙而亲密的感觉。我正在成为一名真正的精神分析师：我正在聆听我的螯虾头脑深处的想法！
我在螯虾的简单神经系统中做的初步实验中获得了漂亮而直观的结果：我测量了静息膜和动作电位，印证了动作电位的全或无法则，以及动作电位并不只是简单抵消掉静息膜电位而是产生超射④。这些结果给我造成了深远影响，并让我更确定无疑地认识到选择正确动物进行研究的重要性。我的结果完全没有原创性，但对我来说它们仍然很美妙。
基于我在他实验室的两段经历，格伦德费斯特推荐我去 NIH 的精神病学部门——国立精神卫生研究所（NIMH）的一个研究职位，以此作为应征入伍的一个替代选项。在朝鲜战争之后的几年里，医生会应征去给部队成员及其家属提供医疗服务。公共卫生署当时是海岸警卫队的一部分，具备相应资格者可以去那里工作以满足兵役要求，而 NIH 则是公共卫生署下设机构之一。通过格伦德费斯特的推荐，NIMH 神经生理学实验室主任韦德·马歇尔接收了我，我被要求于1957年7月赴任。
图7-2 韦德·马歇尔（1907—1972年）是首位在大脑皮层中定位触觉和视觉的精细感觉表征的科学家。他于1947年来到 NIH 并于1950年成为 NIMH 神经生理学实验室主任，我从1957年至1960年在该实验室工作。（承蒙路易丝·马歇尔惠允）
韦德·马歇尔很可能是美国20世纪30年代末研究大脑的年轻科学家中最有前途且成就最高的一位（图7-2）。在如今已成为经典的一系列研究中他问道：猫和猴子身体表面——手、脸、胸、背——上的触觉感受器是如何在大脑中表征的？马歇尔和他的同事发现，触觉的内部表征呈现空间上的有组织性：身体表面相邻部位的表征在大脑里也挨在一起。
当马歇尔开始他的研究时，科学界已经对大脑皮层解剖学有了很多的了解。皮层是一个卷曲结构，覆盖着前脑的两个对称半球，并被划分为4部分，或曰4个脑叶（额叶、顶叶、颞叶和枕叶）（图7-3）。如果将其展开，大脑皮层的面积和一块大号餐巾布相仿，只是比布要厚一些。它包含1000亿个神经元，每个神经元又有大约1000个突触，那么总共就有1000万亿个突触连接⑤。
图7-3 大脑皮层的四个脑叶。额叶是支配社会判断、活动的计划和组织、语言的某些方面、运动控制以及被称作工作记忆的一种短时记忆的神经环路的一部分。顶叶接收有关触摸、压力和身体周遭空间的感觉信息并帮助把这些信息整合成连贯一致的知觉。枕叶参与视觉加工。颞叶参与听觉加工和语言与记忆的某些方面。
马歇尔对触觉的研究始于1936年，当时他还是芝加哥大学的一名研究生。他发现拨弄猫腿上的毛或触摸它的皮肤，会引起位于顶叶并支配触觉的躯体感觉皮层中一组特定神经元的电反应。这些研究仅仅表明触觉在大脑中得到了表征，但马歇尔立即认识到，他可以将这一分析向前推进。他想知道皮肤上相邻区域在躯体感觉皮层中的表征，是同样在相邻区域，还是随机散布的。
为了回答上述问题，马歇尔申请成为菲利普·巴德的博士后。巴德是约翰·霍普金斯医学院生理学系系主任，也是美国生物学界的代表人物。马歇尔参与了巴德在猴子身上开展的研究，他们从中发现整个身体表面都以点对点的神经图谱形式在躯体感觉皮层中得到表征。身体表面相邻的各部分，比如各个手指，在躯体感觉皮层的表征也是相邻的。几年之后，极具天赋的加拿大神经外科医生怀尔德·潘菲尔德将这项研究从猴子扩展到了人，他揭示出身体表面对触摸最敏感的部分，在躯体感觉皮层中的表征占有的面积也最大（图7-4）。
图7-4 大脑中表征身体的感觉图谱。躯体感觉皮层——在大脑皮层顶叶呈带状——接收触觉。身体的各个部分有着各自的表征。手指、嘴巴和其他格外敏感的部位占据了大部分空间。怀尔德·潘菲尔德把这幅横切面图谱称作一个感觉小矮人。基于这幅横切面图谱，他将感觉小矮人的整体表征形象化地呈现为下图。这是一个有着大手、大手指和大嘴巴的人。（摘自科林·布莱克默的《心智机制》，剑桥大学出版社1977年版）
接下来，马歇尔发现眼睛视网膜中的光感受器同样也在位于枕叶的初级视觉皮层中以有序的方式表征。最后，马歇尔指出在颞叶中有一个针对声音频率的感觉图谱，可以系统性地表征不同的音高。
这些研究革新了我们对感觉信息在大脑中如何组织和表征的认识。马歇尔发现，虽然不同的感觉系统携带不同类型的信息，并终止于大脑皮层的不同区域，但是它们在组织方式上共享一个逻辑：所有的感觉信息在大脑中有着拓扑化的组织，呈现为身体感受器的精确图谱形式。这些感受器包括眼睛的视网膜、耳朵的基底膜和身体表面的皮肤。
以躯体感觉皮层的触觉表征为例，这些感觉图谱就很容易理解了。触觉始于皮肤上的感受器将某个刺激的能量——比如捏这个动作传递出的能量——转换成感觉神经元中的电信号。这些信号接下来沿着精确的通路传输到大脑，它们在达到终点躯体感觉皮层之前，要经过脑干和丘脑中的一些中继站。在每一站，来自皮肤相邻位点的信号都通过并排的神经纤维进行传输。这样一来，两个相邻的身体部位，例如两根相邻手指的刺激，就会激活大脑中相邻的两簇神经细胞。
了解大脑感觉图谱以及它们如何被拓扑化地组织起来，这对治疗病人非常有帮助。由于这些图谱极为精确，使得临床神经病学一直以来都是一门诊断精确度很高的学科。即便直到最近脑成像技术发展壮大之前，它依靠的只是一些最简单、最原始的工具——用一团棉花测试触觉、一枚安全别针测试痛觉、一把音叉测试振动、一把锤子测试反射动作。由于身体位点和大脑区域之间存在一对一的关系，这使得感觉和运动系统的紊乱可以被极其准确地定位。
这种关系的一个生动例子是杰克逊氏感觉发作，这是一种特定类型的癫痫发作，由英国神经学家约翰·休林斯·杰克逊于1878年首次描述。在发作时，麻痹、灼烧感和针刺感在身体某个部位出现并蔓延到全身。比如麻痹可能始于指尖，接着扩展到手、上延至胳膊、穿过肩膀、到达背部，再下延至同侧的腿部。这种异常感觉的出现序列可以由身体感觉图谱的排列来解释：癫痫发作是大脑中异常电活动产生的波，始于躯体感觉皮层表征手的外侧区域，接着沿中线传播到表征腿的区域。
然而，马歇尔非凡科学成就的背后也有沉重的代价。这些实验耗费体力，每次常常持续超过24小时。经常性的睡眠缺乏使得他筋疲力尽。此外，他和巴德关系也很紧张。1942年，在确实通过身体动作对巴德做出了威胁之举后，马歇尔因严重的偏执型精神分裂症而崩溃了，不得不因此住院18个月。
当马歇尔于20世纪40年代末重返神经科学研究时，他转向了一组全新的问题：实验诱发的扩散性皮层抑制，能够可逆地停止大脑皮层的电活动。我进入 NIH 时，他辉煌职业生涯的巅峰期已经过去了。他仍然喜欢偶尔做做实验，但他已经失去了科学上的进取心和清晰的视野，而是把大量的精力和兴趣投入到他擅长的行政事务中。
尽管马歇尔古怪、情绪化、时不时还会以无法预料到的方式表现出多疑，但他却是一个慷慨的实验室主管，对他手下的年轻人鼎力支持。我在他那里学到了很多属于一个科学实验室应有的谦逊和严格。他对科研工作有着高标准，对于自己则怀有绝佳的幽默感，在合适的时刻总会脱口而出一些精彩的警句。当他的研究发现受到质疑时，他最爱说的是：“我们迷糊他们也迷糊，只不过我们更习惯于迷糊。”有些情况下他可能会咕哝：“事情会这样持续一段时间，之后它们就会变得更糟！”
除了谦逊，我还从马歇尔那里学到，随着时光流逝，一个人可以凭借强大的性格力量从严重的精神疾病中大体恢复正常（当时还没有治疗精神疾病的药物）。我还目睹了一个从这样毁灭性疾病中恢复过来的人能够做出怎样的工作。研究所的年轻人很多后来都取得了辉煌的职业成就，我本人则将我们的起步和后来取得的很多成绩归功于韦德·马歇尔在为人和专业方面的表率作用。尽管我明显缺乏经验，他却不会坚持让我只去研究他感兴趣的问题，反而允许我思考我想做的——研究学习和记忆在脑细胞中是如何实现的。科学给人提供了一个结构性的机会来检验其想法，如果一个人不怕丢脸，就应该试着去验证那些粗糙、重要且大胆的想法。马歇尔给了我尝试创造性思考的自由。
格伦德费斯特、普尔普拉、克雷恩、马歇尔以及后来的斯蒂夫·库夫勒，都深深地影响了我。他们改变了我的人生。他们和为我进入哈佛铺平道路的坎帕尼亚先生一起，表明了师生关系对个人学术成长的重要性。他们同等重视机会对年轻人的影响并慷慨地鼓励年轻人进步。而年轻人则必须努力保持一个开放的心态，到那些一流学者云集的环境中去历练。
①即对多米尼克的昵称。
②此处的说法比较含混。准确地说，LSD 是于1938年首次被合成出来，并于1943年被发现具有致幻作用。
③美国著名电影导演、编剧和演员。他常常在自己的作品中扮演各种神经质的知识分子形象。
④指动作电位在从–70毫伏变到0毫伏后，还会进一步上升到+40毫伏的峰值，超出0毫伏的这一阶段称作“超射”（overshoot）。
⑤此处计算有误。综合已有的多种估算，每个神经元的突触数量平均应为几千个，据此计算出突触连接数量应为几百万亿个，作者取的是上限值。另外，根据巴西神经科学家 Suzana Herculano-Houzel 的最新计算，人脑中神经元的数量平均为860亿个，大大少于之前通常认为的1000亿个。