在回顾自己对细菌的遗传学研究时，弗朗索瓦·雅各布曾将科学研究分成两类：日科学与夜科学。日科学是理性、逻辑和务实的，通过精确设计的实验向前推进。雅各布写道：“日科学使用的推理就像一串咬合紧密的齿轮，其运转必然会带来确定的结果。”而夜科学则是“一个充满各种可能性的作坊，即将构成科学大厦的建筑材料在此得到打磨。假说以模糊朦胧的预感形式在此呈现。”
到了20世纪80年代中期，我感到我们对海兔短时记忆的研究正在迈向日科学的门槛。我们已经成功地将海兔的一个简单习得反应追踪到了介导它的神经元和突触水平，并发现学习是通过暂时改变感觉与运动神经元之间现有突触连接的强度来产生短时记忆的。这些短时改变由突触中已有的蛋白质和其他分子介导。我们发现环腺苷酸和蛋白激酶 A 增强了感觉神经元终端谷氨酸的释放，而且这一增强的释放是短时记忆形成的一个关键因素。简而言之，我们在海兔中建立的这个实验系统已经能够遵循逻辑对其分子成分进行实验操纵。
但记忆存储的分子生物学的中心谜团依然还未解开：短时记忆是如何转化成持久的长时记忆的？对我来说，这一谜团属于夜科学：对此我有着各种漫无边际的遐思和零碎的想法，以及累月的考量，我们应该怎样设计日科学的实验来解决这一问题呢？
吉米·施瓦茨和我已经发现长时记忆的形成依赖新蛋白质的合成。我有一个预感，涉及突触强度持久改变的长时记忆，能够在感觉神经元的遗传装置的变化中找到痕迹。要着手处理这个模糊的想法，意味着我们对记忆形成的分析得深入神经元的分子迷宫内部，进入包含基因并控制基因活动的细胞核。
我曾多少次陷入深夜的遐思之中，梦想着运用新开发的分子生物学技术再向前迈出一步，去聆听感觉神经元的基因与其突触之间的对话。这一步来得恰逢其时。到1980年，分子生物学已经成为生物学的主心骨，一统各分支学科。它很快会把影响拓展到神经科学领域，帮着开创一门新心智科学。
分子生物学，特别是分子遗传学，怎么会变得如此重要呢？分子生物学的诞生及其最初的影响可以上溯到19世纪50年代，当时格雷戈尔·孟德尔最先认识到遗传信息是通过分离的生物单元（现在我们称作基因）从亲代传给子代的。大约在1915年，托马斯·亨特·摩尔根在研究果蝇时发现，每个基因在染色体上占据一个特定的位点。在果蝇及其他高等生物中，染色体是成对的：一条来自母方，另一条来自父方。因此子代从其两个亲本中分别接收每个基因的一份拷贝。1942年，生于奥地利的理论物理学家埃尔温·薛定谔在都柏林做了一系列讲座，这些讲座的内容后来被集结成一本题为《生命是什么》的小册子出版。在这本书中，他指出把一种动物与另一种动物，以及把人类与其他动物区分开来的，是各自基因中存在的差异。薛定谔写道，基因赋予生物与众不同的特征，它们以稳定的形式编码生物信息，使得这些信息能够被可靠地复制并代代相传。因此，当一对染色体分离时，比如在细胞分裂时发生的情况，每条染色体上的基因都必须被精确地复制到新染色体上。生命的关键进程—从一代向下一代存储和传递生物信息—是通过染色体的复制和基因的表达来完成的。
薛定谔的观点引起了物理学家的关注，并使得一些人转向了生物学研究。此外，他的观点还促成了生物化学的转型：作为生物学的核心领域之一，生物化学从一门关注酶和能量转换（即能量在细胞内如何产生和利用）的学科转变为一门关注信息转换（即信息在细胞内如何被复制、传递及修饰）的学科。从这个新视角出发，染色体和基因的重要性在于它们携带了生物信息。到1949年，学界已经很清楚，一些神经疾病，比如亨廷顿氏病和帕金森氏病，以及包括精神分裂症和抑郁症在内的一些精神疾病，是有着遗传成分的。由此，基因的本质成了包括脑生物学在内的一切生物学的核心问题。
基因的本质是什么？它由什么组成？1944年，洛克菲勒研究所的奥斯瓦尔德·艾弗里、麦克林·麦卡蒂和科林·麦克劳德取得了突破性进展，他们发现基因并非如很多生理学家认为的那样由蛋白质组成，而是由脱氧核糖核酸（DNA）组成。
9年后的1953年4月25日，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在发表于《自然》期刊上的一篇论文中描述了 DNA 结构模型，这一发现是划时代的。在结构生物学家罗莎琳·富兰克林和莫里斯·威尔金斯拍摄的 X 光照片的帮助下，沃森和克里克得以推断出 DNA 是由两条呈螺旋状相互缠绕的长链组成。因为已知这一双螺旋结构中的每条链都是由称作核苷酸碱基的4种很小的重复单元—腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶—组成，沃森和克里克假定这4种核苷酸是基因的信息携带元素。他们后来又做出了一个惊人的发现，即 DNA 的两条链是互补的，其中一条链上的核苷酸碱基会与另一条链上的特异性核苷酸碱基配对：一条链上的腺嘌呤（A）只与另一条链上的胸腺嘧啶（T）配对并结合，而一条链上的鸟嘌呤（G）只与另一条链上的胞嘧啶（C）配对并结合。核苷酸碱基在许多位点上形成的众多配对，将两条链结合在一起。
沃森和克里克的发现将薛定谔的思想纳入到了分子水平的框架内，分子生物学由此诞生。正如薛定谔指出的，基因的基本运作就是复制。沃森和克里克的经典论文以如今已成为名言的一句话收尾：“我们显然注意到了，我们刚刚推断出的特异性配对方式提示了遗传物质的一种可能复制机制。”①
双螺旋模型向我们展示了基因的复制方式。复制期间，双链 DNA 要先解开成为两条链，然后以已有的两条母链为模板，各自形成与之互补的子链。由于母链上包含信息的核苷酸顺序是给定的，因此子链上的核苷酸顺序也是给定的：A 与 T 结合、G 与 C 结合。接下来这条子链又可以充当模板，形成另一条互补链。细胞分裂时，DNA 就以这样的方式进行复制，形成很多个忠实于原本的拷贝，这些拷贝将分布于子代细胞中。这种模式存在于一个有机体的所有细胞中，包括精子和卵子，这样就确保了这个有机体作为一个整体代代相传。
根据基因复制中提供的线索，沃森和克里克进一步推测出了蛋白质的合成机制。由于每个基因指导着一个特定蛋白质的制造，他们推断每个基因的核苷酸碱基序列都携带着制造蛋白质的密码。与基因复制类似，蛋白质的遗传密码也是通过生成 DNA 一条链上的核苷酸碱基的互补性拷贝来“解码”的。不过后来的研究表明，在蛋白质合成中，密码由一种称作信使 RNA（核糖核酸）的中介分子携带。和 DNA 一样，信使 RNA 是一种由4种核苷酸组成的核酸。其中三种—腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶—与 DNA 的核苷酸相同，但第四种，取代鸟嘧啶的尿嘧啶是 RNA 独有的。当 DNA 的两条链分离时，其中一条被复制到信使 RNA。信使 RNA 上的核苷酸序列随后被翻译成蛋白质。沃森和克里克由此确立了分子生物学的中心法则：DNA 产生 RNA，RNA 产生蛋白质。
接下来，科学家们希望能够破解遗传密码，也就是说，信使 RNA 中的核苷酸是怎样被翻译成氨基酸以组成蛋白质的，其中也包括对记忆存储很重要的蛋白质。1956年，克里克和西德尼·布伦纳开始全力投入到这项研究中，试图解答 DNA 的4种核苷酸如何能够编码组成蛋白质的20种氨基酸。每种核苷酸编码一种氨基酸的一对一系统，只能产生4种氨基酸。4种核苷酸两两配对也只能够编码16种氨基酸。布伦纳认为，要生产20种不同的氨基酸，这个系统必须基于三联体，也即三个核苷酸的组合。不过，核苷酸的三联体能产生的不止是20种，而是64种组合。于是布伦纳认为基于三联体的编码系统是冗余的，存在着不止一个核苷酸三联体编码同一种氨基酸的情况。
1961年，布伦纳和克里克证明了遗传密码由一系列核苷酸三联体组成，其中每一个三联体都包含了形成一种独特氨基酸的指令。但是他们没有找出哪一个三联体密码形成哪一种氨基酸。同年晚些时候，NIH 的马歇尔·尼伦伯格和威斯康星大学的哈尔·葛宾·科拉纳做到了这一点②。他们运用生物化学的方法检验了布伦纳和克里克的想法，通过阐明编码每一种氨基酸的特异性核苷酸组合而破解了遗传密码。
20世纪70年代后期，哈佛的沃尔特·吉尔伯特和英国剑桥的弗雷德里克·桑格开发了一项新的生化技术，使得快速测定 DNA 序列成为可能。他们通过相对简便的方式读取 DNA 核苷酸序列的片段，以确定某个给定的基因所编码的蛋白质，这是一个令人瞩目的进展。它使得科学家可以观察在不同基因中存在的相同的 DNA 片段，它们编码各种蛋白质中相同或相似的部分。这些可识别的部分被称作域，不论在哪种蛋白质中，它们都介导相同的生物功能。因此，仅仅通过查看组成一个基因的一些核苷酸序列，科学家就能够确定由该基因编码的蛋白质（比如激酶、离子通道或受体）所行使功能的重要方面。不仅如此，通过比较不同蛋白质的氨基酸序列，他们还能够在非常不同的环境中识别出蛋白质之间的相似性，比如在身体的不同细胞中，甚至是在差异极大的生物中。
通过这些序列以及对它们的比较，我们绘制了细胞如何运作以及它们相互如何传导信号的蓝图，这为理解许多生命过程建立了概念框架。尤为重要的是，这些研究再一次揭示出不同生物的不同细胞是由相同的材料组成。一切多细胞生物都具有合成环腺苷酸的酶，以及激酶、离子通道，等等。事实上，人类基因组中表达的一半基因，在简单得多的无脊椎动物比如秀丽隐杆线虫、果蝇和海兔中都可以找到。老鼠有超过90%、高等猿类有98%的编码序列与人类基因组相同。
分子生物学继 DNA 测序之后的又一重大进展是重组 DNA 和基因克隆的诞生，正是这些技术引领我进入这一领域，它们使得鉴定基因（包括在脑中表达的基因）和确定基因功能成为可能。第一步是从一个人、一只老鼠或者一只蜗牛身上分离出某个想要研究的基因，即编码特定蛋白质的 DNA 片段。做到这一步，需要定位染色体上的基因然后用分子剪刀—一种在合适位点剪切 DNA 的酶—把它剪下来。
下一步是制造出这个基因的许多拷贝，这一过程称作克隆。在克隆时，这个基因的末端被剪接到另一种生物（比如某种细菌）的 DNA 中，创造出重组 DNA—重组指的是从一种生物体的 DNA 剪下的基因与另一种生物体的基因组重新组合。细菌的基因组每20分钟左右扩增一次，这样就能制造出大量初始基因的拷贝。最后一步是解码这个基因所编码的蛋白质，通过解读该基因的核苷酸序列或分子构件来实现。
1972年，斯坦福大学的保罗·伯格成功创造了首个重组 DNA 分子；1973年，加州大学旧金山分校的赫伯特·博耶和斯坦福大学的斯坦利·科恩合作，在伯格技术的基础上开发出基因克隆。到1980年，博耶已将人类的胰岛素基因接合到了细菌中，这一壮举使得人类胰岛素的产量不再受到限制，进而开创了生物技术产业。DNA 结构的共同发现者吉姆·沃森是这样描述这些成就的：
我们想做的正是一个文字处理器现在能够做到的：在我们破解了遗传密码之后……实现 DNA 的剪切、粘贴和复制。……然而，在60年代后期和70年代做出的若干发现，意想不到地于1973年走到一起，带给了我们称作“重组 DNA”的技术—编辑 DNA 的能力。这可不是实验室技术方面的普通进展。突然间，科学家能够裁剪 DNA 分子，创造出自然界中前所未见的新东西。我们能通过一切生命具有的分子基础来“扮演上帝”。
不久之后，这些用于在细菌、酵母和非神经细胞中分析基因和蛋白质功能的非凡工具和分子洞见，就急切地被神经科学家们—特别是被我—拿来用于大脑研究。我对这些方法全都一窍不通—对我而言它们是夜科学。但即便是在夜里，我也感觉到了分子生物学的威力。
①根据克里克的说法，由于沃森当时还担心他们的模型有可能是错误的，因此没有对其遗传机制展开讨论。但为了表明科学上的优先权，他们最终加上了这一句含蓄但分量十足的结语。
②他们两人因破解遗传密码与测定转运 RNA 结构的罗伯特·霍利（Robert Holley）分享了1968年诺贝尔生理学或医学奖。尼伦伯格还是第一位获得诺贝尔奖的 NIH 科学家。