对小鼠空间外显记忆的研究不可避免地把我引向了一个更大的问题，在我科研生涯的开始阶段，正是这个问题吸引着我进入精神分析。我开始思考注意和意识的本质，这些心理状态与简单反射动作不相干，而与复杂心理过程有关联。我想要关注的是，空间—小鼠穿行其中的内部环境—如何在脑中表征以及这一表征如何受到注意修饰。为了研究这些问题，我的关注点从海兔中已经得到充分理解的那个系统，转到了只产生过（且在一定程度上继续产生着）少许迷人结果并有许多问题留待解决的哺乳动物脑。不过好在认知分子生物学在过去几十年里已经取得了一定进展。
考察海兔的内隐记忆时，我在巴甫洛夫和行为主义研究的基础上，建立了一个分子和神经生物学的方法论取向来研究基本心理过程。行为主义虽然有着严格的研究方法，但他们对行为的定义狭隘又局限，主要关注的是动作。相较之下，我们对外显记忆和海马体的研究面临着巨大的智力挑战，这很大程度上是因为空间记忆的编码和提取需要有意识注意的参与。
作为思考空间复杂记忆和它在海马体中的内部表征的第一步，我把目光从行为主义学派转向了认知心理学家，后者是精神分析学家在科学上的继承者，也是第一批系统思考外部世界如何在我们的大脑中重构和表征的科学家。
作为对行为主义局限性的回应，认知心理学兴起于20世纪60年代早期。在试图保持行为主义的实验严谨性的同时，认知心理学家关注更复杂的心理过程，其研究对象与精神分析更为接近。正如之前的精神分析学家一样，新生的认知心理学家并不满足于对感觉刺激引发的动作反应的简单描述。他们感兴趣的是刺激与其反应之间的脑机制，即感觉刺激是如何引发动作的。认知心理学家通过其设计的行为学实验来推断来自眼睛和耳朵的感觉信息如何在脑中被转换成表象、词语或动作。
认知心理学家的思考是由两个假定驱动的。第一个来自康德的观念，认为大脑生来具有先验的知识，“知识……是独立于经验的”。这一观点后来被欧洲的格式塔心理学家进一步发展，他们和精神分析学家一起，都是现代认知心理学的先行者。格式塔心理学家认为我们连贯的知觉是大脑内置能力的最终产物，目的是从只有有限的特征能够被外周的感觉器官探测到的这个世界中获取意义。因为视觉系统不是像照相机那样被动地简单记录一幅场景，所以大脑才能够从对一幅视觉场景的有限分析中获取意义。知觉具有创造性：视觉系统把视网膜上二维模式的光转换成一个从逻辑上可以连贯稳定理解的三维感官世界。内置于大脑神经通路的是基于猜测的复杂规则，这些规则允许大脑从传入的神经信号相对贫乏的模式中提取信息，将之转换成一个富有意义的表象。因此，大脑是出类拔萃的解决模糊问题的机器！
认知心理学家通过研究“错觉”，证实了这一能力。错觉就是大脑对视觉信息的误读。比如，一个图像并不含有一个三角形的三条边，却仍然会被看成一个三角形，因为大脑期待将事物辨认成特定的图像（图22-1）。大脑的期待是内置于视觉通路的解剖学和功能性结构中的。这种期待部分源自经验，但更大部分是源自视觉固有的神经环路。
图22-1 大脑对感觉信息的重构。大脑通过给不完整的信息创造形状来解决模糊性—比如给这些三角形补上缺失的线条。如果你遮住这些图片的一部分，你的大脑被剥夺了一些它用来形成结论的线索，三角形就消失了。
为了解这些进化出来的知觉技能，将大脑的计算能力与人工计算机或信息处理器的计算能力进行比较是很有帮助的。当你坐在一个街边咖啡馆看着过往的行人，你能够通过极少的线索轻易区分出男人和女人、友人和路人。知觉并识别物体和人似乎毫不费力。然而，计算机科学家在构建智能机器的过程中发现，这些知觉性辨别所需的计算还没有计算机可以做到。仅仅是识别出一个人对计算机来说就非常了不起了。我们的全部知觉—视觉、听觉、嗅觉和触觉—都是经分析而取得的成果。
认知心理学家提出的第二个假定是，大脑中的这些分析性成果是通过建立外部世界的内部表征—一幅认知地图—并使用它整合来自外部的所见所闻，生成一幅有意义的表象而取得的。接着这幅认知地图与过去发生的事结合到一起，并受到注意的调节。最后，这些感觉表征被用于组织并协调有目的的行为。
认知地图这一想法被证明是行为研究的一个重要进展，它使认知心理学与精神分析更加紧密地联系在一起。它还提供了一个比行为主义者所持有的更开阔且更有趣的心智观。但这一概念并非没有问题。最大的问题在于认知心理学家推断出的内部表征事实上只是精致的猜测，它们无法得到直接检验，因而不易进行客观分析。要想看见这些内部表征—窥视心智的黑箱—认知心理学家必须与生物学家联手。
幸运的是，在20世纪60年代认知心理学兴起的同时，高级脑功能的生物学也正在成熟。到了70年代和80年代期间，行为主义者和认知心理学家开始与脑科学家合作。这样一来，关注大脑过程的生物科学—神经科学—就开始与关注心智过程的行为主义和认知心理学融合，形成了一个新的学科领域即认知神经科学，这一学科关注内部表征的生物学并倚重两种研究方法：用电生理学方法研究感觉信息在动物脑中如何表征，以及用成像方法研究无损且行为自如的人类的大脑中的感觉和其他复杂的内部表征。
这两种取向之前都被用于考察我想要研究的空间内部表征，它们揭示出空间确实是感觉表征中最复杂的。要想理解它，我首先需要搞清楚在对更简单表征的研究中已经获得了哪些成果。我很幸运，这一领域的主要贡献者是韦德·马歇尔、弗农·蒙特卡斯尔、戴维·休伯尔和托斯坦·威塞尔，这四个人我都很了解，他们的工作我也很熟悉。
感觉表征的电生理学研究是由我的导师韦德·马歇尔开创的，他是研究触觉、视觉和听觉如何在大脑皮层中表征的第一人。马歇尔从研究触觉表征入手。1936年，他发现猫的躯体感觉皮层包含一幅身体表面的图谱。接着他与菲利普·巴德和克林顿·伍尔西合作，极其详细地绘制了猴子大脑中整个身体表面的表征。几年后，怀尔德·潘菲尔德绘制了人类躯体感觉皮层的图谱。
这些生理学研究揭示了关于感觉图谱的两个原理。第一，在人类和猴子中，身体的各个部位都是以一种系统化的方式表征于皮层中的。第二，大脑中的感觉图谱不是身体表面形态的直接复制，而是对身体形态的大幅扭曲。身体的各个部位是根据它在感知觉中的重要性而非其大小按比例来表征的。因此，比起尽管面积大得多却对触觉不太敏感的背部皮肤，指尖和嘴这些对触碰极其敏感的区域的表征不成比例地大。这一变形反映了身体不同区域感觉神经分布的密度。伍尔西后来在其他实验动物中发现了类似的变形。比如在兔子脑中，脸和鼻子有着最大的表征，因为它们是兔子探索周遭环境的主要工具。正如我们已经知道的，这些图谱能够受到经验修饰。
20世纪50年代早期，约翰·霍普金斯大学的弗农·蒙特卡斯尔运用单细胞记录扩展了对感觉表征的分析。蒙特卡斯尔发现躯体感觉皮层的各个神经元只对来自皮肤一块有限区域的信号做出反应，他把这样的区域称作神经元的感受野。比如，左脑躯体感觉皮层手部区域的一个细胞可能只对来自右手中指指尖的刺激做出反应。
蒙特卡斯尔还发现，触觉是由几种不同的亚感觉组成的。比如，触摸包括了对皮肤造成压力的感觉和在皮肤表面轻轻扫过产生的感觉。他发现每种亚感觉都与大脑有着单独的通路连接，这些亚感觉在脑干和丘脑中的每个中继站中一直保持着分离状态。这种分离最迷人的例证出现在躯体感觉皮层，从它的上表面到下表面由多个神经细胞柱组成。每一个功能柱表征一种亚感觉及皮肤的一块区域。因此，其中某个功能柱中的所有细胞可能接收的都是来自食指末端的表面触觉信息，另一个功能柱中的细胞则接收食指的深度压力信息。蒙特卡斯尔的工作揭示出触觉信息是被拆解的，每一种亚感觉都会被独立分析，只有在信息加工的后期阶段才会被重建并整合。蒙特卡斯尔还提出了一个现在已被普遍接受的观点，即这些功能柱形成了皮层信息加工的基本模块。
其他感觉也是通过类似的方式组织而成。在对知觉的分析中，视觉比其他感觉取得的进展更大。从中我们看到，通过从视网膜到大脑皮层的通路中继传播的视觉信息，也是以精确的方式进行转换的，先被拆解然后被重建—这些都是以我们觉察不到的方式进行的。
20世纪50年代早期，斯蒂芬·库夫勒从对视网膜上单个细胞的记录中做出了令人惊讶的发现，他发现这些细胞传导的信号并非光线的绝对水平，而是明暗对比。使得视网膜细胞兴奋的最有效刺激不是漫射光，而是小光点。戴维·休伯尔和托斯坦·威塞尔在位于丘脑的下一个中继站中发现了类似的情况。不过，他们获得的惊人发现是，一旦信号到达皮层，它就发生了转换。皮层中的大多数细胞很少对小光点做出反应。相反，它们对线性轮廓和明暗区域之间的狭长边缘这些可以勾勒出环境中物体轮廓的特征做出反应。
最奇妙的是，初级视觉皮层中的每个细胞只对明暗轮廓的一个特定朝向做出反应。因此，如果我们眼前有一个缓慢旋转的正方体，慢慢改变着每一边的角度，那么不同的细胞会接连放电来对这些不同的角度做出反应。有些细胞在线性边缘朝向是垂直时反应最强，其他细胞则对水平朝向反应最强，还有一些细胞对倾斜角度的朝向反应最强。把看到的物体拆解成不同朝向的线条片段似乎是编码我们周围物体形状的第一步。休伯尔和威塞尔接下来发现，视觉系统中的细胞和躯体感觉系统中的细胞一样，具有相似属性的（这个研究中指的是响应相同朝向的细胞）会以功能柱的形式组织在一起。
我觉得这项工作很激动人心。作为对脑科学的一项科学贡献，它是自世纪之交卡哈尔的工作以来，我们在理解大脑皮层组织方面取得的最为基础的进展。卡哈尔揭示了神经细胞群体之间相互连接的精确性。蒙特卡斯尔、休伯尔和威塞尔则揭示了相互连接的这些模式的功能性意义①。他们的研究表明，这些连接在通往皮层的过程中以及皮层内过滤并转换感觉信息，皮层则是由功能性的区隔或模块组织而成。
有了蒙特卡斯尔、休伯尔和威塞尔的研究成果，我们才得以开始在细胞水平理解认知心理学原理。这些科学家的研究证实了格式塔心理学的推断，即我们的知觉是精确且直接的这一信念其实只是一种认知错觉。大脑并不是简单地通过感觉接收原始数据并忠实地复制出来，相反，各个感觉系统首先分析并拆解这些原始输入信息，然后根据其内置连接和规则来重建它们—这些都符合伊曼努尔·康德的洞见！
感觉系统是一个基于假设的发生器。我们既不是直接地也不是精确地面对着这个世界，但就如蒙特卡斯尔指出的：
……通过数百万脆弱的感觉神经纤维把大脑与存在于“外部世界”的事物连接起来，这是我们唯一的信息通道，我们通往现实的生命线。它们还行使着对生命自身至关重要的功能：保持自我觉知的意识状态的兴奋性输入。
感觉是由感觉神经末端的编码功能和中枢神经系统的神经整合机制设定的。输入神经纤维并不是高保真的记录员，它们强调特定的刺激特征而忽略其他特征。中枢神经元对于神经纤维来说扮演着说书人的角色，它从不是完全忠实的，允许对质量和度量的变形。……感觉是真实世界的摘要而非复本。
对视觉系统的后续研究表明，除了把物体分解成线条片段，视知觉的其他方面—运动、深度、形状和颜色—相互之间都是分离的，由不同的通路传导到大脑，只有在脑中它们才聚到一起整合成统一的知觉。这一分离过程很重要的一部分发生在初级视觉皮层，它在这里形成了两条平行通路。一条是“什么”通路，携带物体的外形信息：这个物体看上去什么样。另一条是“哪里”通路，携带物体的空间运动信息：这个物体位于哪里。这两条神经通路终止于关注更复杂加工的皮层高级区域。
视知觉的不同方面可能是由大脑不同区域加工的这一想法，弗洛伊德在19世纪末已经预言过。他提出有些患者无法识别视觉世界的某些特征不是因为（由视网膜或视神经的损伤造成的）感觉障碍，而是皮层缺陷影响了他们把视觉的各个方面整合成一个有意义模式的能力。这些被弗洛伊德称作失认症的缺陷可以是非常特异性的。比如，损毁“哪里”或“什么”通路会导致不同的特定缺陷。因“哪里”系统缺陷而患有深度失认症的人，无法知觉到深度，但他在视觉的其他方面都是完好的。这样的人不能“分辨所看到物体的深度或厚度。……肥硕的人可能会被看成移动的硬纸板状物，每一样东西都完全是平的”。类似地，患有运动失认症的人不能知觉运动，而其他的知觉能力都是正常的。
引人注目的证据显示“什么”通路的一个独立区域是专门用于面孔识别的。有些人在中风之后能够将一张面孔识别为一张面孔，也能分清面孔的各个部位甚至特定的表情，但却识别不出这张面孔属于谁。患有这种障碍（面孔失认症）的人常常认不出自己的近亲，甚至不能认出镜子中自己的脸。他们丧失的不是识别一个人身份的能力，而是把面孔和身份进行关联的能力。要想识别一个密友或近亲，这些患者必须借助这个人的嗓音或其他非视觉线索。天才的神经学家兼神经心理学家奥利弗·萨克斯在他的经典作品《错把妻子当帽子的人》中，描述了一个面孔失认症患者在离开萨克斯的办公室时，无法识别坐在他身旁的妻子，而认为她是他的帽子，试图拿起她戴在头上。②
由不同神经通路携带的运动、深度、颜色和形状信息是如何被组织成统一的知觉的？这一问题被称为“捆绑”问题，与有意识经验的统一性相关：即我们看到一个骑自行车的男孩时，看到的为什么不是没有图像的运动或者静止的图像，而是看到充满各种颜色的一个连续的、三维的、运动中的男孩。这一捆绑问题被认为要通过同时将若干独立的神经通路以及其各自不同的功能联结在一起来解决。这一捆绑是如何以及在哪里发生的？伦敦大学学院知名的视知觉研究者萨米尔·泽基简洁地提出：
乍一看，整合问题似乎很简单。从逻辑上来说，有人可能会认为，它不过是需要来自不同视觉区域的所有信号聚集到一起，向一个作为主管的皮层区域“报告”它们加工的结果。这一主管区域接着会综合所有这些不同来源的信息并给我们提供最终的图像。但大脑有其自身的逻辑。……如果所有的视觉区域向一个主管皮层区域报告，那么这一区域又向谁或者什么报告？更形象地说，就是谁在“看”这些由主管区域提供的视觉图像？这个问题并不是视觉图像或视觉皮层所特有的。比如，谁在听主管听觉区域提供的音乐，或者谁在闻主管嗅觉皮层提供的气味？事实上追踪这一宏大设计是没有意义的。在此我们遇到了一个重要的解剖学事实，这一事实最终也许不那么宏大但更具启发性：不论是在视觉还是其他任何系统中，都不存在一个所有其他皮层区域只对它报告的皮层区域。总之，皮层必须采用一种不同的策略来生成整合的视觉图像。
当一位认知神经科学家低头观察一个实验动物的大脑时，他能看到哪个细胞在放电，并能解读大脑正在感知什么信息。但这个大脑采用了什么策略来解读自身？这一问题作为有意识经验的统一性的核心，仍然是新心智科学的一个未解之谜。
关于这一问题最早的研究取向是由 NIH 的爱德·埃瓦茨、罗伯特·伍尔兹和迈克尔·戈德伯格提出的。他们用于记录无损且行动自如的猴子大脑中单个神经细胞活动的开拓性方法关注的是需要动作和注意参与的认知任务。他们开发的新研究技术使得纽大的安东尼·莫夫肖和斯坦福的威廉·纽瑟姆等研究者能将单个脑细胞的活动与复杂行为—知觉和动作—联系起来，以观察促进或减少一小群细胞的活动对知觉和动作会有什么影响。
这些研究还使得考察参与知觉和运动信息加工的单个神经细胞的放电如何受到注意和决策的修饰成为可能。因此，不像行为主义只关注动物对刺激的反应而产生的行为，也不像认知心理学那样关注内部表征的抽象概念，认知心理学与细胞神经科学的融合揭示出引发一种行为相对应的真实生理表征—大脑中的信息加工能力。这一工作证明了亥姆霍兹在1860年描述过的无意识推断，即刺激与反应之间的无意识信息加工过程也能够在细胞水平进行研究。
到了20世纪80年代，随着脑成像技术的引入，感觉与运动在大脑皮层的内部表征的细胞研究得到了扩展。这些技术，比如正电子发射断层扫描（PET）和功能性磁共振成像（fMRI），通过揭示各种复杂行为功能在脑中的定位，把保罗·布洛卡、卡尔·韦尼克、西格蒙德·弗洛伊德、英国神经学家约翰·休林斯·杰克逊和奥利弗·萨克斯等人的工作向前推进了一大步。利用这些新技术，研究者可以窥视大脑，他们看到的不仅是单个细胞，而且是正在活动的神经环路。
我逐渐确信理解空间记忆分子机制的关键是理解空间在海马体中如何表征。正如有人期望的那样，由于对环境的空间记忆在外显记忆中很重要，这种空间记忆在海马体中会具有突出的内部表征。这甚至在解剖学上也是显而易见的。空间记忆对鸟类尤为重要，比如有些鸟类需要在许多不同地点存储食物，于是它们的海马体比其他鸟类要大。
伦敦出租车司机是另外一个恰当的例子。与别处的出租车司机不同，伦敦的司机必须通过一个严格的考试来获得执照。在测试中，他们必须证明自己知道伦敦每一条街道的名称以及往来两个地点的最佳路线。功能性磁共振成像揭示，在这座城市街道中经过了两年的严格定向后，伦敦出租车司机的海马体会变得比其他同龄人的要大。而且，随着从业时间的增加，他们的海马体会继续增大。此外，脑成像研究显示，当出租车司机被要求回忆如何到达一个特定目的地时，在想象开车的过程中，他们的海马体就会被激活。那么，空间是如何在海马体的细胞水平进行表征的呢？
为了解决这些问题，我又带着分子生物学的工具和洞见，回到了已有的对小鼠空间内部表征的研究之中。我们已经使用基因修饰小鼠研究了特定基因对海马体长时程增强和空间外显记忆的影响。现在我们准备好研究长时程增强如何帮助固化空间内部表征，以及注意（这是外显记忆存储的一个定义性特征）如何调节空间表征。这一复合的取向—从分子扩展到心智—开启了在分子水平研究认知和注意的可能性，并完成了对之前研究成果的综合，由此开启了一门新的心智科学。
①休伯尔和威塞尔因上述贡献获得了1981年诺贝尔生理学或医学奖。休伯尔在他的诺贝尔奖受奖词中指出，蒙特卡斯尔的研究“无疑是自卡哈尔以来对理解大脑皮层做出的唯一最重要的贡献”。
②萨克斯也患有面孔失认症，他的作家身份甚至比他的科学家身份更出名，其多部畅销作品都已翻译成中文，有些还改编成了电影、电视纪录片和歌剧。