1700676054
1700676055
1947年3月，心理学家爱德华·托尔曼（Edward Tolman）在加州大学做了一次轻松愉快、内容广泛、略带自嘲的讲座，他在讲座中介绍了自己在动物学习行为领域的研究。托尔曼的研究专注于大鼠的迷宫学习实验，为了理解在迷宫学习期间大鼠的脑中究竟发生了什么，托尔曼想到了一个生动的隐喻：
1700676056
1700676057
我们断言，中央办公室本身更像一个地图控制室，而不是一个老式的电话交换机。被允许进入的刺激并不是通过简单的一对一转换开关连接到向外输出的反应端的。相反，传入的神经冲动通常会在中央控制室中经过处理和精细的调整，从而形成一幅有关周边环境的试探性的、类似认知的地图。正是这幅试探性的地图指明了路线、路径以及环境中的关系，最终决定了大鼠最后会做出什么样的反应（如果有反应的话）。[33]
1700676058
1700676059
例如，如果先允许一只大鼠在一个空的迷宫中探索几次，接着在迷宫的尽头放一个奖励，那么它会比迷宫经验有限的大鼠更快地找到穿过迷宫的路。显然，这说明即使在没有奖励的情况下，这只大鼠也一直在注意周围的环境并记住迷宫。同样地，如果在笼子里的某一个特定位置电击大鼠，它随后就会避开那个地方。托尔曼的解释是，大鼠的脑里有一幅地图，它的神经元以某种方式表征了外部世界。
1700676060
1700676061
20世纪60年代末，第一个也许能证实托尔曼的观点的证据出现了。伦敦大学学院的神经科学家约翰·奥基夫（John O’Keefe）当时正在研究大鼠移动时其丘脑细胞的活动。奥基夫发现，当大鼠的头移动时，其中一个细胞会产生非常强烈的反应。这是奥基夫第一次观察到这种现象，他对此很感兴趣。实验结束后，奥基夫处死了这只大鼠，并把它的脑切成了脑片，以查看他记录的那个细胞所在的确切位置。令他大为吃惊的是，他发现自己错误地将电极插入了大鼠的海马里。这个错误改变了奥基夫的一生和脑科学的进程。[34]
1700676062
1700676063
1971年，奥基夫和他的学生乔纳森·多斯特罗夫斯基（Jonathan Dostrovsky）发表了一篇论文，介绍了他们在8个大鼠海马细胞上采集到的数据。当大鼠位于笼中的某个特定位置时，这些细胞中的某一个就会被激活。但重要的不只是位置：最强的反应是在大鼠位于一个特定的位置，被一名实验者抱着并且灯亮着的情况下在一个细胞上记录到的，这些因素中缺少了任何一个，这个细胞都会停止放电。这表明这个细胞需要一整套非常特别的刺激才能被激活。奥基夫和多斯特罗夫斯基写道：
1700676064
1700676065
这些发现表明，海马为脑的其他部分提供了一幅空间参考地图。通过这幅地图上的细胞的活动，大鼠可以确定自己相对于环境地标的方向，并确定面向这一方向时感受到的触觉、视觉等刺激。
1700676066
1700676067
奥基夫和多斯特罗夫斯基进一步指出，他们的假说可以使大鼠能够预测当它移动时会发生什么：
1700676068
1700676069
在这个模型中，海马的内部连接将是这样的：那些对某个具体方向进行编码的细胞在被激活后，将与对运动或者运动意图进行编码的信号一起……倾向于激活对相邻或后续空间方向进行编码的细胞。通过这种方式，地图就会“预测出”紧随在某个动作之后的感觉刺激。[35]
1700676070
1700676071
如果通过移除海马剥夺大鼠的这幅地图，“它就无法学会从它所处的位置沿着任何一条路径移动到另一个位置”。
1700676072
1700676073
奥基夫的研究表明，海马不仅具有对情景记忆进行编码的能力，而且还包含了一幅关于环境的真正地图——用专业的术语来说，脑中的表征与环境是同构的（isomorphic）。这幅地图由所谓的“位置细胞”（place cell）组成，也包含了如何从一个位置到达另一个位置的信息，使动物能够游走于世界，并预测它将在不同的地方找到什么东西。这是一幅地图，但正如托尔曼出色的直觉所察觉到的，这是一幅认知地图，它涉及多种感官功能，以关联和预测为基础，而不是对外部世界的简单一对一表征。在不同生态环境下的物种中，这些海马地图有不同的形式。例如，大鼠的海马地图是二维的，而蝙蝠的海马地图是三维的，能表征蝙蝠在一个球体中的位置。但这些地图总是认知地图，而不仅仅是空间地图。[36]
1700676074
1700676075
至于空间信息是如何进入海马位置细胞的，这在一定程度上通过梅-布里特·莫泽（May-Britt Moser）和爱德华·莫泽（Edvard Moser）夫妇团队的工作得到了解答。他们发现，当动物处于某几个位置时，海马附近的内嗅皮层中有细胞会放电。这些细胞的活动产生了一个网格状的网络，并且成为海马中的位置细胞使用的原始数据——你可以通过这些网格细胞的活动预测一个给定的位置细胞的活动。[37] 这个大脑皮层区域中的其他细胞则记录着动物头部的方向、运动的速度以及环境中边界的存在，它们也对海马的认知地图有贡献。
1700676076
1700676077
因为他们在这些发现——参与者遍及全球，多达数百人——中的贡献，奥基夫和莫泽夫妇于2014年获得了诺贝尔生理学或医学奖。[38] 尽管这些工作都是在小型哺乳动物身上完成的，但据说这些工作与人类行为之间也存在真正的联系，我们似乎也在使用海马引导我们游走于这个世界上。一个著名的说法是，伦敦的出租车司机必须牢牢记下穿过伦敦的各条路线，研究发现，他们的海马比普通人的海马更大，而且这种效应随着他们从业时间的增加而增加。[39] 这种显著效应的确切机制（比如，神经元的数量有增加吗？还是仅仅是海马的体积增加了？）目前仍不清楚，因为用来测量海马大小的技术太不精确了。此外，虽然许多城市都有出租车司机——哪怕他们对路线的了解可能不如伦敦出租车司机那般精确——但目前还没有人能重复这一发现。
1700676078
1700676079
尽管这些发现表明，海马中包含一幅动物所处环境的地图，但正如奥基夫和多斯特罗夫斯基最初的报告提示的那样，脑创建出的远比区区一幅空间地图丰富，而且位置细胞和网格细胞提供的并不只是一种生物GPS（全球定位系统）。关于奖励、嗅觉、触觉、视觉和时间的认知信息都被整合到了这些细胞的活动中。[40] 大鼠和蝙蝠的位置细胞还参与了社交信息的处理，特别是有关其他同类位置的信息。[41]
1700676080
1700676081
在探索了一个新的位置之后，大鼠海马的心智地图上与这个位置相对应的细胞会在睡眠中被重新激活，使大鼠的脑巩固这一记忆（也许大鼠正在梦见这个地方和当时的情景）。[42] 如果一个未被探索的位置（比如迷宫中一条被封堵住的死路）与奖励有关，那么大鼠脑中与这个位置对应的位置细胞就会被激活，就好像大鼠期待着去这个位置一样。一些研究者现在认为，这种预测功能才是位置细胞的真正作用。[43] 当人在休息[44] 的时候，脑中也会回放与非空间学习相关的事件，这种活动的焦点同样也是海马，这显然使我们能够从过往的经历中提取新的知识。[45] 所有这些有趣的结果表明，海马整合了有关各种目标的各类信息，包括针对不同任务的决策和归纳。与此同时，脑的其他区域也参与了特定记忆的形成和回忆，这表明这个过程既表现出一定的局域性，又表现出一定的分散性。
1700676082
1700676083
这种复杂的情况使海马研究领域的领军人物，已故的霍华德·艾肯鲍姆（Howard Eichenbaum）声称，相应的研究已经证实了拉什利的观点。[46] 并没有太多研究者像艾肯鲍姆这样笃定，但艾肯鲍姆的论点确实强调了一个事实：由海马处理的记忆也需要脑中远处一些区域的参与。海马不是记忆印迹的所在站点，而是编码器和网关。记忆有存储的位置，但我们还没有找到具体在哪里。分散式分布的信息也参与其中，但我们还不完全清楚记忆的编码和回忆是如何在海马及相关脑区发生的。[47]
1700676084
1700676085
最近，德国的研究者发表了一项人学习空间任务的研究。这项研究使用了一种新的脑成像技术，揭示了学习过程中组织在微观结构上的变化。研究提示，海马并没有发挥预期中那样重要的作用。[48] 与空间学习相关的关键变化发生在后顶叶皮层，而不是海马。这些变化出现得很快，持续时间超过12个小时，并且明显与记忆相关的脑功能活动有关。所有这些研究结果都强化了一种观点：海马中没有拉什利所说的记忆印迹，脑的不同区域共同参与了记忆的形成。
1700676086
1700676087
研究脑中与学习相关联的变化时，由于科学家们既发现了支持局域化的证据，也发现了支持分散式分布的证据，因此上述的观点之争一再出现。这两种立场可能并不那么矛盾。1986年，神经科学家蒂莫西·泰勒（Timothy Teyler）和帕斯卡尔·迪希纳（Pascal Discenna）提出，海马和脑的其他区域的解剖学联系表明，海马是通过用与情景相关的各种特征给记忆“编索引”来产生情景记忆的。[49] 他们还指出，寻找更多的这些“索引”将激活记忆印迹。这与认知地图理论形成了鲜明的对比，后者认为位置本身就是打开记忆的钥匙。尽管科学家发现了位置细胞，但目前仍然缺乏区分这两种理论的实验证据，或许这是因为在许多人看来，两者并不存在严格的对立。我们现在知道，海马细胞可以在保持它们记忆印迹功能的情况下，依据经验与不同的位置细胞建立新的连接。空间编码可以从记忆印迹中分离出来，这表明海马记忆印迹更广泛的“索引”功能可能是正确的。[50]
1700676088
1700676089
在海马所包含的认知地图与它在情景记忆形成过程中起的作用之间，存在着有趣的联系，从中可以看出海马的复杂性。古希腊有一种记忆大量信息的方法，这需要想象把一件要记住的事情放进一个“记忆宫殿”中的某个房间里——或许这便是当我们学习和试图记住事物时，我们通过海马一直在做的事情。嗅觉信息也可以通过海马编码，这是由内嗅皮层完成的。这或许可以解释为什么气味不仅能唤起对事件的记忆，还能让你强烈地感觉到事件发生的位置，这一现象可能与彭菲尔德的患者在接受电刺激时产生的体验类似。[51] 由于海马受损，亨利·莫莱森不能准确地比较两种气味，无法仅凭气味识别出常见的食物，看地图也很困难。[52] 在人类中，嗅觉感知和空间记忆在根本上是交织在一起的，都基于海马和额叶皮层。[53]
1700676090
1700676091
尽管这些研究表明脑的功能存在明显的定位性特征，但关于脑在细胞或环路层面上是如何工作的这个问题，这些研究并没有给我们提供太多信息，也没有告诉我们细胞网络可能进行何种计算。科学家们只能满足于把不同的功能定位到不同的区域（每个区域包含数以百万计的细胞），并绘制出功能流程图，这些流程图中各组分的特征主要是根据详细的局部解剖来确定的，而不是基于单个细胞的功能，或者退一步说，甚至不是基于大量细胞的活动来确定的。[54] 这些研究并没有揭示记忆究竟是如何工作的。
1700676092
1700676093
1700676094
1700676095
1700676096
1957年，在位于华盛顿特区外贝塞斯达的美国国立精神健康研究所（National Institutes of Mental Health）里，一位年轻的研究人员读到了米尔纳和斯科维尔的论文，其中描述了斯科维尔的手术对HM和其他不幸患者造成的影响。这位年轻人后来回忆说，这篇论文给他留下了深刻的印象，他立刻就做出决定，“记忆是如何存储在脑中的这个问题，成了我下一个要研究的有意义的科学问题”。[55] 这个年轻人名叫埃里克·坎德尔（Eric Kandel），当时还不到28岁。坎德尔是一位博学的知识分子，他最早从哈佛大学获得历史和文学学位，后来转向医学，并且对精神分析保持了一生的兴趣。在学习的过程中，神经元的活动会发生怎样的变化？坎德尔后来的研究帮助我们搞清楚了这个问题，他也因此获得了2000年的诺贝尔生理学或医学奖。
1700676097
1700676098
在对猫海马神经元的电生理活动进行了初步的研究后，坎德尔立刻意识到，要想了解他感兴趣的细胞变化的核心，他需要一个比脊椎动物的脑简单得多的系统。在剑桥大学阿德里安小组的两位研究者——艾伦·霍奇金和安德鲁·赫胥黎的研究中，坎德尔找到了答案。这些研究也为他提供了线索，使他得以选择研究合适的现象。1952年，霍奇金和赫胥黎揭示了动作电位的生理学原理——神经元是如何发送讯息的，这最终为一个20世纪初基于尤里乌斯·伯恩斯坦的观点[56] 发展起来的理论提供了决定性的证据。因为二战，霍奇金和赫胥黎的工作一度中断。但在战争结束后，他们证明动作电位是通过神经元膜的通透性的变化传递的。这种通透性变化改变了细胞内钠离子和钾离子的浓度，导致去极化的离子流迅速涌入细胞。[57] 此外，他们还提出了一个后来被证明是正确的猜想，指出导致神经元膜通透性改变的是细胞膜上的一些微孔——离子通道。1963年，因为他们的这些工作，霍奇金和赫胥黎与约翰·埃克尔斯分享了诺贝尔生理学或医学奖。
1700676099
1700676100
对坎德尔来说，霍奇金和赫胥黎取得他们发现的方法与他们的发现本身同样重要。两人的工作不是在剑桥大学阿德里安小组的地下实验室，而是在遥远的普利茅斯的一个海洋生物研究机构中完成的——他们研究的是枪乌贼和墨鱼的巨轴突（giant axon）的反应。这个系统最早是约翰·扎卡里·杨在20世纪30年代率先研究的，由巨大并且易于识别的神经元组成，因此适合用来做研究。生理学家们一直就知道，要想研究一个基本过程，你需要选择能够给出明确答案的简单系统。
1700676101
1700676102
考虑到这个原则，在经过6个月的反复思考后，坎德尔于1959年决定通过研究一种巨型的海蛞蝓来研究学习和记忆的细胞基础。这种叫海兔（Aplysia ）的海蛞蝓生活在加利福尼亚海岸，可以长到超过30厘米长，在显微镜下能看到它巨大的神经元。
1700676103