一旦确定了行为的神经构造是不变的，我们就面临着一个关键性问题：一种由精确连接的神经环路所控制的行为是如何随着经验而改变的？卡哈尔已经提出过一个答案，他认为学习能够改变神经元之间突触的强度，从而增强它们之间的交流。有趣的是，弗洛伊德的《科学心理学大纲》中概述过的一个心智模型包含了一种相似的学习机制。弗洛伊德假定存在不同类别的神经元，分别用于知觉和记忆。与知觉相关的神经环路形成固定的突触连接，由此确保了我们知觉世界的准确性。与记忆相关的神经环路的突触连接随着学习而改变强度。这一机制形成了记忆和高级认知功能的基础。
巴甫洛夫和行为主义者的工作以及布伦达·米尔纳和认知心理学家的工作使我认识到，不同形式的学习会产生不同形式的记忆。因此我修订了卡哈尔的观点并利用这一新洞见作为开发海兔的学习模拟的基础。先前的研究表明刺激的不同模式以不同方式改变了突触连接的强度。但托克和我没有考察过一个真实的行为是如何被改变的，因此也就没有证据证明学习真的依赖于突触强度的改变。
实际上，突触能够通过学习增强并因此参与到记忆存储，这一想法并没有被广泛接受。卡哈尔的观点问世20年后，杰出的哈佛生理学家亚历山大·福布斯认为记忆是通过自兴奋神经元的闭合环路中的动态不间断变化来维持的。为了支持这一想法，福布斯引用了卡哈尔的一个学生拉斐尔·洛伦特·德·诺画的一幅图，图中显示神经元通过闭合的通路互相连接。1949年，心理学家 D.O.赫布在其颇有影响力的著作《行为的组织：一种神经心理学理论》中进一步详细阐述了这一想法。赫布认为反射性环路是短时记忆的基础。
类似地，大脑皮层生物学的重要研究者 B.德莱尔·伯恩斯挑战了突触的生理变化能够作为存储记忆的手段这一想法：
突触易化的各种机制作为解释记忆的候选对象……已被证明是令人失望的。在其中任何一种机制能够被接受为伴随条件反射形成的细胞水平变化之前，我们必须在一个比现有尺度大得多的时间尺度上观察它们。用突触易化来解释记忆的持续失败，使得我们怀疑神经生理学家所寻找的可能是错误的机制。
有些学者怀疑学习是否能在固定的神经环路中发生。在他们看来，学习必定是部分甚至完全独立于预先建立的神经通路的。拉什利以及在早期认知心理学家中颇有影响力的格式塔心理学派的一些成员持有上述观点。这一观点的一个变式由神经生理学家罗斯·阿迪在1965年提出。他这样开始他的论证：“没有神经元在被自然或人工地与其他神经元分离后，显示出跟我们通常理解的‘记忆’这一概念相符的存储信息的能力。”接着他指出通过神经元之间空隙的电流可能携带信息，该信息的地位“在信息交换中至少等价于神经元放电，在信息存储和提取中甚至会更重要”。对拉什利和阿迪而言，学习完全是个谜。
在研究清楚了缩鳃反射的神经环路并确定它能够受到学习修饰之后，我和同事们面对的问题是，前人的这些想法是否有任何可取之处。1970年，我们在《科学》期刊上连续发表了三篇论文，并在第一篇中就介绍了我们使用的研究策略，这一策略在之后的30年里一直指导着我们的想法：
对学习的神经机制和相似的行为修饰进行分析，需要这样一种动物，它的行为可修饰、神经系统可用于细胞水平分析。在本文以及随后的两篇论文中，我们在海生软体动物海兔身上采取了一种结合行为和细胞神经生理学的方法，研究受到习惯化和去习惯化（敏感化）的一种行为反射。我们已经逐步简化了这一行为的神经环路，使得单个神经元的活动能够与整个反射联系起来。这样一来，分析这些行为修饰的发生地点和机制就变得可能了。
在接下来的论文里，我们证实了记忆不依赖于神经元的自兴奋环路。通过在海兔身上研究三种简单形式的学习，我们发现在介导行为的神经环路中，学习导致了特定细胞间突触连接的强度变化，因而改变了交流的效能。
我们的数据明白无误且颇具戏剧性。通过来自单个感觉与运动神经元的记录，我们描绘出了缩鳃反射的解剖图谱和功能运作。我们发现触碰皮肤激活的若干个感觉神经元在每个运动神经元中共同产生一个大信号—一个大的突触电位，使得后者激发出若干个动作电位。运动神经元的这些动作电位导致了一种行为—鳃的收缩。于是我们得出结论，在正常情况下感觉神经元能够有效地与运动神经元交流，向它们发送适当的信号来形成缩鳃反射。
现在我们将注意力转向感觉与运动神经元之间的突触。我们观察到，当我们通过反复触碰皮肤形成习惯化时，缩鳃反射的幅度逐渐降低。这一行为上习得的变化与突触连接的逐渐减弱平行发生。相反，当我们通过给动物的尾部或头部施加一个电击来形成敏感化时，增强的缩鳃反射也伴随着突触连接的增强。我们总结道，在习惯化过程中，感觉神经元的一个动作电位引发了运动神经元更弱的突触电位，导致了交流效能的降低；而在敏感化过程中，前者引发了运动神经元更强的突触电位，导致了交流效能的提高。
1980年，我们又将还原论取向向前推进了一步，探索在经典条件作用期间突触发生了什么变化。这时，来自斯坦福大学、富有洞见的年轻心理学家罗伯特·霍金斯也加入了卡鲁和我的研究工作。他出身学术世家，见多识广，在来到纽约之前就已经是个古典音乐和歌剧的爱好者了。作为一名优秀的运动员，他曾在斯坦福校足球队踢球，接着又对帆船运动产生了热情。
我们发现在经典条件作用中，无害（条件作用）和有害（非条件作用）刺激产生的神经信号必须按照精确的时间次序发生。当虹吸管被触碰，随后尾部紧接着被触碰时—这样前者就预测了对尾部的电击—感觉神经元激发的动作电位将恰好先于它们收到来自尾部的信号。感觉神经元中的动作电位激发与尾部电击信号的到达总是遵循这一精确的时序，导致了感觉与运动神经元之间突触连接的增强，这一增强与当来自虹吸管或尾部的信号分别发生时（比如敏感化中的情形）相比要强烈得多。
习惯化、敏感化和经典条件作用造成的这些结果，不可避免地使得我们去思考遗传和发育过程如何与经验交互作用，从而决定心理活动的结构。遗传和发育过程规定了神经元之间的连接方式—哪些神经元与其他哪些神经元形成突触连接，以及何时形成这些连接。但它们没有规定这些连接的强度。强度—突触连接的长时效能—受经验调控。这一看法表明，有机体许多行为的潜能是先天内置于大脑的，并在很大程度上受到遗传和发育控制；然而，一个生物的环境和学习能够改变这些预先存在的通路的效能，因而导致行为通过新的模式表达出来。我们对海兔的研究支持了下述观点：在最简单形式的学习中，学习从预先存在的众多连接里进行选择，并改变了其选中连接的强度。
在回顾我们的结果时，我不禁想到了自17世纪以来一直统治着西方思想史的两种相对立的关于心智的哲学观点—经验主义和理性主义。英国经验主义者约翰·洛克认为心智并不拥有与生俱来的知识，而是一块逐渐被经验填满的白板。我们所了解的关于这个世界的每一件事都是习得的，于是我们越是频繁地遇到一个想法，越能有效地将它与其他想法联系起来，这个想法对我们心智的影响就越持久。德国理性主义哲学家伊曼努尔·康德则持相反观点，他认为我们生来就具有一些知识的内置模板。康德称这些模板为先验知识，它们决定了感觉经验如何被接收以及被理解。
当我在精神分析与生物学研究之间做出抉择时，我最终选择了生物学，这是因为精神分析及其前身学科哲学，都把大脑视为一个黑箱，一个未知之物。这两个学科并不直接对大脑进行研究，无法解决经验主义与理性主义之争。而研究大脑正是生物学正在开始做的事情。通过研究最简单的有机体的缩鳃反射，我们认识到两种观点都有可取之处—事实上，它们互为补充。神经环路的解剖图谱是康德式先验知识的一个简单例子，而神经环路中特定连接强度的变化则反映了经验的影响。此外，与洛克熟能生巧的观念相一致的是，构成记忆基础的这种变化是持久的。
拉什利和其他学者觉得研究复杂学习是棘手的问题，但蜗牛的缩鳃反射具有的优雅的简洁性，却使得我和同事们能够通过实验研究许多哲学和精神分析问题，正是这些问题让我选择了生物学。我觉得这件事既奇妙又有趣。
在1970年发表于《科学》的第三篇论文中，我们以下述评论总结道：
这些数据表明，习惯化和去习惯化（敏感化）都涉及之前就存在的兴奋性连接在功能性效能上的变化。因此，至少在简单的系统中，……对行为进行修饰的能力看上去是直接内置于行为反射的神经构造中的。
最后，这些研究巩固了我们的假定……即研究行为修饰的先决条件是分析作为行为基础的线路图。我们确实发现，一旦知道了行为的线路图，对其修饰的分析就变得非常简单。因此，虽然这些分析只适用于相对简单和短时的行为修饰，一个类似的方法可能也会适用于更复杂而且持续更久的学习过程。
通过坚持一种激进的还原论取向—研究一个非常简单的行为反射和简单形式的学习，逐个细胞地描绘出反射的神经环路，然后聚焦于环路中发生变化的位置—我实现了我在1961年向 NIH 递交的经费申请书中提出的长期目标。我“在可能是最小的神经群、两个细胞之间构成的连接里捕获了一个条件作用反应”。
于是，上述还原论取向使得我们发现了学习与记忆的细胞生物学的若干原理。第一，我们发现在学习一种行为背后的突触强度变化，可能会强到足以重新配置一个神经网络和它的信息加工能力。比如，海兔的一个特定感觉细胞会与8个不同的运动细胞交流—其中5个用来产生鳃的运动、3个用来引发墨腺的收缩进而喷墨。在训练之前，激活这个感觉细胞会让5个支配鳃的运动细胞适度兴奋，导致它们激发动作电位进而引起鳃收缩。激活这个感觉细胞还会让3个支配墨腺的运动细胞微弱兴奋，但这不足以产生动作电位或引发喷墨。因此，在训练之前，刺激虹吸管会导致鳃收缩但不会导致喷墨。然而，在敏感化之后，这个感觉细胞和全部8个运动细胞之间的突触交流都增强了，使得3个支配墨腺的运动神经元也会激发动作电位。于是，作为学习的结果，当虹吸管受到刺激时，喷墨会和更强烈的鳃收缩一道发生。
第二，与我对卡哈尔理论的修订以及我早期对模拟的研究相一致，我们发现两个神经元之间给定的一组突触连接能够通过不同形式的学习朝着相反的方向得到修饰—增强或减弱。因此，习惯化减弱突触，而敏感化或经典条件作用增强它。突触连接强度的持续改变是学习与短时记忆的细胞机制。此外，由于变化发生在缩鳃反射的神经环路中的多个位点，所以记忆分布并存储在整个环路中，而不是在某个位点上。
第三，我们发现在三种学习形式中，短时记忆存储的持续时间都依赖于一个突触受到减弱或增强的时间长度。
第四，我们开始了解到一个给定的化学性突触的强度能够以两种方式受到修饰，这取决于学习激活的是两个神经环路中的哪一个—介导环路还是调节环路。在海兔中，介导环路由支配虹吸管的感觉神经元、中间神经元和控制缩鳃反射的运动神经元组成。调节环路由位于身体其他部分支配尾部的感觉神经元组成。当介导环路中的神经元被激活时，同突触的强度会发生改变，习惯化就是这种情况：控制缩鳃反射的感觉与运动神经元重复放电，并以特定的模式对重复的感觉刺激做出直接反应。异突触的强度改变则发生在一个调节而非介导环路中的神经元被激活时，敏感化属于这种情况：对尾部的强刺激激活了调节环路，该环路控制介导神经元中突触传递的强度。①
后来我们发现，经典条件作用既涉及同突触变化也涉及异突触变化。实际上，我们对敏感化与经典条件作用的关系的研究表明，学习可能就是把突触可塑性的各种基本形式组合成更为复杂的新形式的过程，就像我们使用字母表来组成单词一样。
现在我开始认识到，动物脑中存在的化学性突触远多于电突触，这可能反映了化学传递较之于电传递的根本优势：它具有介导各种形式的学习及记忆存储的能力。从这个角度来看，很清楚的一点是，缩鳃环路中的感觉与运动神经元—这些神经元在进化过程中参与到了各种学习形式中—之间的突触要比那些不参与学习的突触容易改变得多。我们的研究戏剧性地表明，仅仅在相对少量的训练之后，受到学习修饰的环路中的突触强度就能够经历大而且持久的改变。
记忆的根本特征之一是它的形成具有阶段性。短时记忆持续数分钟，而长时记忆持续许多天甚至更久。行为学实验表明，短时记忆会自然地逐渐转化为长时记忆，而且它是通过重复来做到这一点的，所谓“熟能生巧”。
可是练习是怎样起作用的？训练如何能让短时记忆转化为牢固且自我维持的长时记忆？这一过程是发生在同一位点—感觉与运动细胞之间的连接处—还是需要一个新位点？下面，我们就要来解答这些问题了。
这一时期，我停止了其他活动，再次全身心地投入科研。不过，在沉迷海兔这件事上，我发现了一个意想不到的盟友，我的女儿米娜琪。1970年，5岁的米娜琪开始识字了，她偶然翻开了我放在客厅里的一本图文并茂的《拉鲁斯动物百科全书》中有海兔图片的那一页。她爱上了这幅图片，并指着它反复大叫“海兔！海兔！”。
两年后，在我43岁生日时，7岁的她写了下面这首诗：
海免②
米娜琪
海免就像只黏糊的蛞蝓。
在雨里、在雪里、在雨淞里、在冰雹里。
当它生气时，会射出墨汁。
墨汁是紫色，不是粉红丝。
海免没法生活在陆地。
它没有脚于是站不起。
它的嘴巴非常滑稽。
冬天它会往南方去。
（翻印自坎德尔的《海兔的行为生物学》，W.H.弗里曼出版公司1979年版）
米娜琪把海兔讲得很清楚，比我可强多了！
①这两个概念在第16章还会讲到，从图16-1可以得到直观认识。
②米娜琪错误拼写了海兔，故译为海免。另外，为了押韵，这首诗的部分词句未遵循原文。