以生物学角度理解人类意识已成为21世纪科学的中心挑战。我们希望理解知觉、学习、记忆、思考、意识以及自由意志的生物学本质。甚至在几十年前，生物学家能够探索这些精神过程还是不可想象的。直到20世纪中期，当我开始我的神经科学家职业生涯时，认为宇宙中最复杂的过程——意识，可能会向生物学分析揭示其最深层的秘密，甚至可能在分子水平上做到这一点，是无法认真对待的。
过去50年生物学的巨大成就使这成为可能。詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克于1953年发现DNA结构，彻底改变了生物学，为理解基因信息如何控制细胞功能提供了智力框架。这一发现使人们对基因如何调控、如何产生决定细胞功能的蛋白质，以及发育如何开启和关闭基因和蛋白质以建立生物体的身体结构有了基本的理解。凭借这些非凡的成就，生物学在科学领域占据了中心位置，与物理学和化学并驾齐驱。
生物学充满了新的知识和信心，将其注意力转向了其最崇高的目标：理解人类意识的生物学本质。这项长期以来被认为是前科学的努力，已经全面展开。事实上，当知识历史学家回顾20世纪最后二十年时，他们可能会评论一个令人惊讶的事实：在此期间涌现的关于人类意识的最有价值的见解，并非来自传统上关注意识的学科——哲学、心理学或精神分析。相反，它们来自这些学科与大脑生物学的融合，一种新的综合，最近因分子生物学的巨大成就而充满活力。
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意识即大脑
结果是意识的新科学，这门科学利用分子生物学的力量来检验生命中剩余的伟大奥秘。这门新科学基于五个原则。首先，意识和大脑是不可分割的。大脑是一个复杂的生物器官，具有强大的计算能力，构建我们的感官体验，调节我们的思想和情绪，并控制我们的行为。大脑不仅负责相对简单的运动行为，如跑步和吃饭，还负责我们认为是人类特有的复杂行为，如思考、说话和创作艺术作品。从这个角度来看，意识是大脑执行的一系列操作，就像行走是腿执行的一系列操作一样，只不过意识要复杂得多。
其次，大脑中的每项精神功能——从最简单的反射到语言、音乐和艺术中最具创造性的行为——都由大脑不同区域的专门神经回路执行。这就是为什么最好使用“意识生物学”一词来指代这些专门神经回路执行的一系列精神操作，而不是“意识的生物学”，后者暗示了一个地点，并暗示了一个执行所有精神操作的单一大脑位置。
第三，所有这些回路都由相同的基本信号单元——神经细胞组成。第四，神经回路使用特定的分子在神经细胞内部和之间产生信号。最后，这些特定的信号分子在数百万年的进化过程中得到了保留——正如它所是——。其中一些分子存在于我们最古老的祖先的细胞中，并且今天可以在我们最遥远和原始的进化亲戚中找到：单细胞生物，如细菌和酵母，以及简单的多细胞生物，如蠕虫、苍蝇和蜗牛。这些生物使用与我们用来管理日常生活和适应环境相同的分子来组织在环境中的行动。
因此，我们从意识的新科学中不仅获得了对我们自身的洞察——我们如何感知、学习、记忆、感受和行动——而且还在生物进化的背景下对我们自身有了新的视角。它使我们认识到，人类意识是从我们祖先使用的分子进化而来的，并且调节生命各种过程的分子机制的非凡保守性也适用于我们的精神生活。
由于其对个人和社会福祉的广泛影响，科学界现在普遍认为，意识生物学将成为21世纪的基因生物学，就像20世纪的基因生物学一样。
系统方法
当我们进入21世纪时，意识的新科学面临着非凡的挑战。记忆存储研究人员，包括我的同事和我，仅仅站在一个伟大山脉的山麓。我们已经了解了记忆存储的细胞和分子机制，但现在我们必须进步到记忆的系统特性。例如，哪些神经回路对哪些类型的记忆至关重要？大脑如何编码面孔、场景、旋律或体验的内部表征？
为了开发一种将神经系统与复杂认知功能联系起来的方法，我们必须专注于神经回路，辨别不同回路中的活动模式如何融合以形成连贯的表征。为了了解我们如何感知和回忆复杂的体验，我们必须确定神经网络是如何组织的，以及注意力和意识如何塑造和重新配置这些网络中的神经活动。为了实现这些目标，生物学必须更多地关注人类和非人灵长类动物，使用可以分辨单个神经元和神经元网络活动的成像技术。
什么是注意力？
这些思考让我思考，如果我要重新开始，我会追求哪些科学问题。我对选择这样的研究问题有两个要求。首先，它必须让我参与到一个新的研究领域的开辟中，这个领域将长期占据我的时间。（我喜欢长期的承诺，而不是短暂的浪漫。）其次，问题必须位于两个或多个学科的交叉点。基于这些标准，以下三组问题对我很有吸引力。
注意力的聚光灯是什么？它如何触发空间记忆的神经回路来编码信息？此外，当动物集中注意力时，哪些调节性大脑系统会开启，它们是如何被激活的？注意力如何使我能够开始“精神时间旅行”，回到我在维也纳长大的小公寓？为了研究这些问题，我们应该将我们对记忆的研究从实验动物扩展到人类。
第二个问题是，在人身上，无意识和有意识的精神过程如何相互关联？我们对我们的大部分精神生活一无所知——德国医生和物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹在1860年提出的这个观点——是精神分析的核心。只有通过理解这些问题，我们才能用生物学上有意义的术语来探讨西格蒙德·弗洛伊德在1899年提出的关于意识和无意识冲突以及记忆的理论。对于亥姆霍兹的观点，弗洛伊德补充了一个重要的观察，即通过集中注意力，我们可以访问我们的一些无意识精神过程——那些原本会被忽视的过程。
无意识机制
从这个角度来看——大多数神经科学家现在都持有这种观点——我们的大部分精神生活是无意识的。我们只有通过语言和图像才能意识到许多其他无法访问的大脑过程。因此，原则上，我们应该能够使用脑成像技术将精神分析过程与大脑解剖结构和神经功能联系起来。这样的桥梁可能使我们能够了解疾病状态如何改变无意识过程，以及心理疗法可能如何帮助重新配置它们。无意识的心理过程在我们的生活中扮演着如此重要的角色；也许生物学可以帮助我们了解它们。
另一个例子涉及果蝇果蝇的雄性求偶。一种名为Fruitless的关键蛋白质控制着这种本能行为，并且Fruitless在雄性和雌性果蝇中的表达方式不同。维也纳分子病理学研究所的神经科学家Ebru Demir和Barry J. Dickson做出了非凡的发现，当雌性果蝇表达这种蛋白质的雄性形式时，它们会爬上并引导求偶行为指向其他雌性果蝇——或者指向经过基因工程改造以产生特征性雌性气味或信息素的雄性果蝇。迪克森还发现，为了让果蝇生长出求偶和性偏好的神经回路，Fruitless基因必须在果蝇的早期发育过程中存在并活跃。（如果科学家稍后添加这个基因，那么它不会产生相同的效果。）
第三个例子来自意大利帕尔马大学的神经科学家Giacomo Rizzolatti。他发现，当猴子用手执行特定动作时，例如将花生放入口中时，前运动皮层中的某些神经元会变得活跃。值得注意的是，当猴子观察另一只猴子（甚至一个人）将食物放入口中时，相同的神经元也会做出反应。里佐拉蒂称这些细胞为“镜像神经元”，表明它们提供了对模仿、认同、共情以及可能模仿发声能力的洞察——所有这些都是人类互动固有的无意识精神过程。加州大学圣地亚哥分校的神经科学家Vilayanur S. Ramachandran已经在人类前运动皮层中发现了可比神经元的证据。
精神状态即大脑状态
仅仅思考这三个研究方向，我就能看到生物学的全新领域正在开启，提供一种对使我们成为社会性、交流性生物的要素的理解。这种雄心勃勃的尝试不仅可能揭示一个有凝聚力的群体成员如何相互识别，而且还可以让我们深入了解部落主义，部落主义常常助长对外部人士的恐惧、仇恨和不容忍。
自20世纪80年代以来，融合意识和大脑研究的道路变得更加清晰。因此，精神病学承担了新的角色，既刺激了生物学思想，又从中受益。在过去几年中，即使是精神分析界的成员也对意识生物学产生了浓厚的兴趣，承认每种精神状态都是大脑状态，所有精神障碍都涉及大脑功能障碍。当治疗改变大脑的结构和功能时，它们才起作用。
为了让人们了解近年来研究人员的态度发生了怎样的变化，当我在1962年从研究哺乳动物大脑中的海马体转向研究海兔海兔的简单学习形式时，我遇到了许多负面反应。当时，大脑科学家普遍认为，哺乳动物的大脑与鱼类和青蛙等低等脊椎动物的大脑截然不同，并且比无脊椎动物的大脑复杂得多。诺贝尔奖获得者神经科学家，如已故的艾伦·霍奇金、剑桥大学的安德鲁·F·赫胥黎和已故的伯纳德·卡茨，通过探测鱿鱼的神经轴突和青蛙中连接神经和肌肉的突触，发现了人类神经系统中信号传导的基本原理，这一事实在这些哺乳动物沙文主义者看来只是一个例外。当然，所有的神经细胞都是相似的，他们承认，但脊椎动物和无脊椎动物的神经回路和行为明显不同。
苍蝇与人类
这种分裂一直持续到分子生物学家揭示了基因和蛋白质在整个进化过程中（从低等到高等生物）控制所有神经系统的惊人连续性。即便如此，关于在简单动物研究中揭示的学习和记忆的细胞和分子机制是否会推广到更复杂的动物，仍然存在争议。神经科学家争论诸如敏化和习惯化等基本学习形式是否会产生有用于研究的记忆形式。研究自然环境中动物行为的动物行为学家强调了这些简单记忆形式的普遍性，而行为主义者则强调了联想学习形式，如经典条件反射和操作性条件反射，这些形式显然更复杂。
这些分歧最终通过两种方式得到解决。首先，加州理工学院的生物学家西摩·本泽证明，对海兔短期敏化很重要的环磷酸腺苷在更复杂动物（即果蝇）的更复杂学习形式（如经典条件反射）中起着关键作用。其次，在我的实验室中首次在海兔中鉴定的调节蛋白CREB，被证明是许多学习形式和生物类型（从蜗牛到苍蝇，再到小鼠和人）中从短期记忆到长期记忆转换的关键分子成分。显然，学习和记忆，以及突触和神经元可塑性或改变能力，涉及一系列过程，这些过程在分子细节上有所不同，但共享各种成分和共同的逻辑。在大多数情况下，这些讨论被证明对科学有益，使问题更加清晰，并推动研究向前发展。对我来说，辩论最重要的方面是我们正在朝着正确的方向前进的感觉。
这些辩论影响了我的观点，我的精神病学培训和精神分析兴趣也是如此，它们是我科学思维的核心。它们共同塑造了我对意识和行为的看法，确立了影响我几乎所有研究方面的总体思路，并激发了我对有意识和无意识记忆的兴趣。
激情与大胆的发现
很少有经历比发现新事物更令人兴奋和激发想象力，无论多么微不足道。一项新的发现让人们第一次看到自然谜题的一小部分。沉浸在一个问题中，我发现通过了解以前的科学家对此问题的看法来发展全面的视角很有帮助。我不仅想知道哪些思路被证明是富有成效的，还想知道其他思路在何处以及为何被证明是无效的。因此，弗洛伊德，以及其他早期的学习和记忆研究人员——如经典心理学家威廉·詹姆斯、爱德华·桑代克、伊万·巴甫洛夫、B. F. 斯金纳和康奈尔大学的乌尔里克·奈瑟——都强烈地影响了我的思想。他们的思想，甚至他们遵循的无效路径，为我后来的工作提供了丰富的文化背景。因此，我最初在精神分析方面的抱负绝非弯路。相反，它们成为了我试图学习的一切的教育基石。
重要的是要大胆。应该解决难题，特别是那些最初看起来混乱和无结构的问题。不应害怕尝试新事物，例如从一个领域转移到另一个领域，或在学科边界工作——最有趣的问题通常在那里出现。大多数优秀的科学家从不犹豫地提出问题、探索不熟悉的领域、遵循他们的直觉或一路学习新的科学知识。没有什么比追求新的研究领域更能激发自学。
定义一个问题，或一组相互关联的问题，并具有长期的发展轨迹，对于成功也至关重要。早些时候，我在研究海马体和记忆时幸运地偶然发现了一个有趣的问题，然后果断地转向研究简单动物的学习。这两个问题都具有足够的智力广度和范围，足以支撑我度过许多实验失败和失望。
因此，我没有像一些同事那样经历中年危机，他们对自己的科学感到厌倦并转向其他事物。相反，我热衷于检验新的想法。我的朋友和同事理查德·阿克塞尔是哥伦比亚大学的另一位神经科学家，他因发现气味有1000种不同的受体而获得了2004年诺贝尔奖，他经常谈到在脑海中回顾新的和有趣的发现所具有的成瘾性。除非理查德看到新的数据出现，否则他会变得沮丧——这是我们许多人都有的感觉。这就是成瘾的建设性一面，我在追求我终生的热情——即理解意识的细胞和分子基础——的过程中体验到了这种成瘾性。