当我于1965年12月进入纽大时，我知道迈出重要一步的时候到了。在托克的实验室我已经发现，模拟巴甫洛夫式学习对不同的刺激模式做出反应时，一个突触很容易经历持续很长时间的变化，进而引起一个独立神经节中两个神经细胞间的交流强度的改变。但这只是一种人为制造的情境。我没有直接证据来证明在一只正常活动的动物身上，真正的学习会导致突触效能的改变。我需要比在一个独立神经节的单个细胞中模仿学习走得更远，进入无损且正常活动的动物的某个行为神经环路中研究学习与记忆。
由此我为接下来的几年设定了两个目标。第一，我要详细地列出海兔能做出的全部行为，并决定其中哪些行为能够受到学习修饰。第二，我要选择一种能够受到学习修饰的行为，用它来探索学习如何发生，以及记忆如何存储在属于那种行为的神经环路中。还在哈佛时，我就已经想好了上述安排，并打算找一个对无脊椎动物的学习特别感兴趣的博士后研究员来合作解决这一问题。
我很幸运地招到了极具天赋、个性殊异的欧文·库普费尔曼，他是一个在芝加哥大学接受训练的行为主义者。在我离开哈佛之前数月加入我的团队，并和我一起来到纽大。欧文是一个典型的芝大学人。他个子又高又瘦，书呆子气十足还有点古怪，戴着厚厚的镜片，年纪轻轻头发却快掉光了。他的一个学生后来把他描述成“一颗大大的脑袋支在一根细长的棒子顶上”。由于欧文对啮齿类和猫科动物都过敏，他的博士论文研究的是一种小型陆生节肢动物潮虫。他是一个知识渊博、极具创造性的行为研究者，设计起实验来很有一手。
我们一起探索海兔的各种行为，希望从中找出一种能够用于研究学习的行为。我们逐渐熟悉了它摄食、运动的日常模式（图13-1）、喷墨以及产卵等行为的方方面面。我们对它的性行为（图13-2）很着迷，这是海兔最明显且让人印象最深的社会性行为。这些蜗牛是雌雄同体的，它们在面对不同的交配对象时可以有时是雄性，有时是雌性，甚至还可以同时既是雄性又是雌性。在适宜的条件下，多只海兔可以形成让人印象深刻的交配链，链中的每个成员都为在它前面的成员充当雄性并为在它后面的成员充当雌性。
图13-1 一个完整步骤。海兔的运动模式：先伸出它的头部并运用吸力拱起足的前部，这样它就伸出了相当于半个身体长度的距离。接着放下它的足前部，依附到一个表面，然后收缩它的身体前部使得整体向前运动。（承蒙保罗·坎德尔惠允）
图13-2 海兔的简单和复杂行为。喷墨（上图）是一种相对简单的行为，由海兔神经系统的单个神经节（腹神经节）中的细胞控制。性行为则要复杂得多，需要多个神经节中的神经细胞参与。海兔雌雄同体，能够既是雄性也是雌性，常常形成如图所示的交配链（下图）。（翻印自坎德尔的《行为的细胞基础》，W.H.弗里曼出版公司1976年版）
我们经过分析和思考后，认识到这些行为都太复杂了，有些需要不止一个神经节的参与。我们需要找出一种由单个神经节控制的非常简单的行为。因此我们关注了由腹神经节控制的几种行为，我在巴黎研究的就是腹神经节，对它再熟悉不过了。腹神经节只包含两千个神经细胞，控制心率、呼吸、产卵、喷墨、释放黏液以及收缩鳃和虹吸管。1968年，我们选定了最简单的行为：缩鳃反射。
鳃是海兔用于呼吸的外部器官。它位于体壁的外套腔中，覆盖着一层被称作外套膜的皮肤。外套膜止于虹吸管，这是一个用于从外套腔排出海水和废物的肉质喷口（图13-3A）。轻轻触碰虹吸管会使虹吸管和鳃自卫性地迅速收缩进外套腔（图13-3B）。收缩反射的目的很显然是为了避免鳃——一个关乎生死且很纤弱的器官——受到可能的伤害。
图13-3 海兔最简单的行为—缩鳃反射。
欧文和我发现，即便是这一非常简单的反射也能够受到习惯化和敏感化这两种学习形式修饰，而且每种都形成了一个持续数分钟的短时记忆。初次轻触虹吸管引发迅速的缩鳃。重复轻触则形成习惯化：随着动物学会识别这一刺激是无关紧要的，反射逐渐变弱。我们通过给头部或尾部施加一个强电击来形成敏感化。动物识别出强刺激是有害的，接着便会在响应对虹吸管同样的轻触时，做出一个夸张的缩鳃反射（图13-3C）。
1971年，来自加州大学河滨分校的汤姆·卡鲁加入了我们，他是一个天资聪颖、精力充沛、喜欢热闹的生理心理学家，开启了我们对长时记忆的研究。卡鲁非常喜欢在我们这个神经生物学与行为研究团队里工作。他与吉米·施瓦茨、奥尔登·斯宾塞还有我都成了好朋友。卡鲁像块干海绵似的尽情吸收着我们的团队文化——不仅指科学，还有在艺术、音乐和科学八卦上的共同兴趣。正如卡鲁和我互相之间说过的：“当别人聊这些的时候，他们是在八卦，但我们不一样，我们是在讲述思想史！”
卡鲁和我发现，海兔要形成长时记忆，也和人一样需要穿插有休息间隔的反复训练。“熟能生巧”即使对于蜗牛也成立。因此，施加连续40次刺激导致的缩鳃的习惯化仅能持续一天，而连续4天每天10次的刺激则会导致持续几个星期的习惯化。训练中间穿插一些休息能增强海兔形成长时记忆的能力。
库普费尔曼、卡鲁和我证明了一个简单反射可能受制于两种非联结性形式的学习，这两种学习分别形成短时与长时记忆。1983年，我们又成功地实现了对缩鳃反射的经典条件作用。这是一个重要进展，因为它证明了这一反射还能够受到联结性学习的修饰。
到1985年，在艰苦工作逾15年之后，我们证明了海兔的一个简单行为能够受到各种形式的学习修饰。这使我更加确信某些形式的学习在进化过程中是保守的，即便是在一个非常简单的行为的简单神经环路中也可能会找到。此外，我预料到接下来我的研究工作可能会突破已有的框架，在探讨学习如何发生以及记忆在中枢神经系统如何存储等问题的基础上更进一步，去在细胞水平上探索不同形式的学习与记忆的相互关系。更具体地说就是，短时记忆如何在脑中转化为长时记忆？
缩鳃反射的行为学研究并不是我们在此期间的唯一关注点。实际上，这些研究是在为我们第二个也是主要的兴趣点——设计实验来研究动物在学习时大脑中发生的变化——打下基础。于是，一旦我们决定把学习研究的关注点放在海兔的缩鳃反射上，我们就需要绘制出这一反射的神经环路，来了解腹神经节是如何产生这一反射的。
然而，完成这个任务要面临一个内含于神经环路概念本身的挑战。一组细胞之间的连接要具有怎样的精确性和特异性，我们才能说它们构成了一个神经环路？20世纪60年代早期，卡尔·拉什利的一些追随者认为大脑皮层中所有神经元的性质都是相似的，无法因其目的或功能而得到鉴别，而且它们的连接也是随机且大致等值的。
其他科学家，特别是无脊椎动物神经系统的研究者，则支持许多或者所有神经元都是独一无二的观点。这一观点最早由德国生物学家理查德·戈德施密特于1908年提出。戈德施密特研究了一种原始的肠道寄生虫蛔虫（Ascaris）的一个神经节。他发现这一物种每一个体的那个神经节都有着数量相同且位置完全一样的细胞。同年他在德国动物学会发表了一次著名的演讲，他在演讲中指出：“神经系统的组成元素有着令人惊讶的恒常性：在中央总是有162个神经节细胞，一个不多一个不少。”
阿尔娃尼塔基注意到了戈德施密特对蛔虫的分析，她于20世纪50年代探索了海兔的腹神经节，以寻找可被鉴别的细胞。她发现了几种独特的细胞，在每一只海兔中，这些细胞都基于它们的位置、染色特性和大小而可被鉴别。R2就是这样一个细胞，我在与拉迪斯拉夫·托克一道研究学习时关注过这个细胞。接着在哈佛以及后来在纽大，我都跟进着这方面的研究，到1967年，像戈德施密特与阿尔娃尼塔基一样，我也已经能够轻松地鉴别出腹神经节中大多数特定的细胞了（图13-4）。
图13-4 鉴别海兔腹神经节中的特定神经元。R2细胞能够在直径一毫米的海兔腹神经节的显微照片（左图）中清晰地看到。手绘示意图（右图）显示了 R2细胞和控制鳃运动的6个运动神经元的位置。一旦单个神经节得到鉴别，绘制它们的连接就成为可能。
神经元是独一无二的，以及相同的细胞在该物种每一成员体内出现的位置都相同，这一发现带来了新问题：这些独一无二的神经元之间形成的突触连接是否也是不变的？一个给定的细胞是否总是向相同的靶细胞而非其他细胞传递信号？
让我惊讶的是，我发现自己能够轻松地绘制出细胞间的突触连接。通过向一个靶细胞插入一个微电极，并逐一刺激神经节其他细胞产生动作电位，我就能够鉴别出许多与靶细胞交流的突触前细胞。因此，这一方法首次表明了绘制动物细胞之间运作的突触连接的可能性，我能够用它来找到控制一种行为的神经通路。
我在单个的神经元之间发现了圣地亚哥·拉蒙–卡哈尔曾在神经元集群之间发现过的连接特异性。此外，正如神经元及其突触连接是精确且不变的，这些连接的功能也是不变的。这一非凡的不变性将会使我在简单神经连接中“捕获”学习，进而在细胞水平研究学习如何产生记忆的长期目标更容易实现。
到了1969年，库普费尔曼和我已经成功鉴别出大部分参与缩鳃反射的神经细胞。我们的做法是，麻醉海兔以便在它的颈部开一个小口，接着从开口处轻轻将腹神经节及其连带的神经挑起拉至体外，置于光亮的台面上。我们向不同神经元中插入用于记录和刺激细胞的双管微电极。通过这种方式打开活着的海兔使得我们可以完好无缺地保持它的神经系统及所有正常连接，并能同时观察腹神经节控制的所有器官。我们首先找出控制缩鳃反射的运动神经元——也就是那些轴突是从中枢神经系统导向鳃的运动细胞。我们通过用微电极每次刺激一个细胞，并观察刺激是否导致了鳃的运动来做到这一点。
1968年秋天的一个午后，我在独自进行实验时刺激了一个细胞，并惊奇地发现它导致了鳃的剧烈收缩（图13-5）。这是我第一次鉴别出海兔的一个控制特定行为的运动神经元！我迫不及待地向欧文展示这一发现。我们都为刺激单个细胞就能带来如此强大的行为后果感到惊奇，这一发现让我们对鉴别出其他运动细胞信心十足。实际上，欧文在数月内就发现了另外5个运动细胞。我们猜想这6个细胞构成了缩鳃反射的运动成分，因为如果我们阻止这些细胞激发，反射反应就不会发生。
图13-5 发现海兔的一个导致特定行为的运动神经元。一旦海兔腹神经节的单个神经细胞得到鉴别，绘制它们的连接就成为可能。比如，刺激 L7细胞（一个运动神经元）导致海兔鳃的突然收缩。
1969年，文森特·卡斯特鲁奇和杰克·伯恩加入了我们。前者是一个讨人喜爱、品味不俗的加拿大科学家，在生物学方面学识渊博，在网球场上也让我屡尝败绩；后者是一个技术天分很高的研究生，受过电子工程学训练，他将该学科严格的治学态度带入了我们的工作。我们三个一起鉴别出了参与缩鳃反射的感觉神经元。接着我们发现除了直接连接，感觉神经元还通过中间神经元与运动神经元形成间接突触连接。这两类连接——直接的和间接的——将触碰信息中继到运动神经元，后者通过与鳃组织的连接导致收缩反射。此外，我们研究的每一只蜗牛的缩鳃反射中涉及的神经元都相同，而且这些相同的细胞之间总是形成相同的连接。因此，海兔至少有一种行为的神经构造精确得令人惊讶（图13-6）。后来，我们又发现其他行为的神经环路也有着同样的特异性和不变性。
图13-6 海兔缩鳃反射的神经构造。虹吸管系统有24个感觉神经元，但施加于皮肤上任意一点的刺激只会激发其中6个。每只蜗牛中相同的6个感觉神经元将触觉中继到相同的6个运动神经元，导致了缩鳃反射。
库普费尔曼和我在我们1969年发表于《科学》期刊的论文《海兔腹神经节介导的一个行为反应的神经控制》结尾写下了乐观的一笔：
鉴于其用于细胞神经生理学研究的优点，这一预处理①可能会被证明对分析学习的神经机制有帮助。初步的实验表明，行为反射反应能够受到修饰而显示出简单的学习过程，比如敏感化和习惯化。……它还证明了存在通过经典或操作性条件作用范式研究更复杂的行为修饰的可能性。
①指前文提到的作者麻醉海兔挑出腹神经节的那套流程。