“行驶200码，然后右转，”汽车电脑声音说。您在驾驶座上放松身心，按照指示行驶，并无误地到达目的地。拥有全球定位系统 (GPS) 来引导您到达目标几码之内当然很好。然而，如果卫星服务的数字地图稍微过时，您可能会迷路。然后您必须依靠人类古老的在三维空间中导航的技能。
幸运的是，您的生物定位器比 GPS 具有重要的优势：即使只有一个引导系统出现故障，它也不会出错，因为它以多种方式工作。您可以向人行道上的人们询问。或者沿着看起来熟悉的街道走。或者依靠导航规则：“如果我让东河在我的左边，我最终会穿过 34 街。”人类定位系统是灵活且能够学习的。任何知道从 A 点到 B 点以及从 A 点到 C 点的路径的人，可能也可以弄清楚如何从 B 点到达 C 点。
但是这个复杂的认知系统究竟是如何运作的呢？研究人员正在研究人们用来在空间中定位自己的几种策略：引导、路径积分和路线跟随。我们可能会使用所有三种或它们的组合。随着专家们对这些导航技能了解得越多，他们正在提出论点，即我们的能力可能构成我们记忆和逻辑思维能力的基础。
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中央车站，拜托
想象一下，您已到达一个从未去过的地方——纽约市。您在曼哈顿市中心的中央车站总站下火车。您有几个小时的时间去探索，然后必须返回乘坐火车回家。您前往上城区，去看看您被告知的热门景点：洛克菲勒中心、中央公园、大都会艺术博物馆。您沿途随意进出商店。突然，到了返回车站的时间了。但是怎么回去呢？
如果您向路人寻求帮助，您很可能会收到多种不同形式的信息。一个以著名地标为方向的人会向南示意：“看看那边。看到高大而宽阔的大都会人寿大厦了吗？朝着它走——车站就在它下面。”神经学家将这种导航方法称为“引导”，意思是远处可见的地标充当一个人目的地的标记。
另一位城市居民可能会说：“你还记得经过哪些地方吗？……好的。朝着中央公园的尽头走，然后走到圣帕特里克大教堂。再走几个街区，中央车站就在你的左边。”在这种情况下，您被指向您记得的最近的地方，并且您以它为目标。到达那里后，您前往下一个著名的地方，依此类推，追溯您的路径。您的大脑正在将您旅程的各个部分加在一起，形成一份累积的进度报告。研究人员将这种策略称为“路径积分”。
许多动物主要依靠路径积分来四处走动，包括昆虫、蜘蛛、螃蟹和啮齿动物。Cataglyphis属的沙漠蚂蚁采用这种方法从远至 100 码的地方觅食返回。它们记下它们来自的大致方向并追溯它们的脚步，即使在阴天也使用太阳光的偏振来确定自己的方向。在返回的路上，它们忠实于内在的归巢矢量。即使科学家捡起一只蚂蚁并将其放在一个完全不同的地方，这只昆虫也会顽固地按照最初确定的方向前进，直到它“返回”了它从巢穴中游荡的所有距离。直到那时，蚂蚁才意识到它没有成功，并且开始以越来越大的环形行走以找到回家的路。
无论是试图返回蚁丘还是火车站，任何使用路径积分的动物都必须跟踪自己的运动，以便它在返回时知道它已经完成了哪些路段。当您移动时，您的大脑会从您的环境中收集数据——视觉、声音、气味、光线、肌肉收缩、时间流逝的感觉——以确定您的身体已经走了哪个方向。教堂的尖顶、小贩烤架上滋滋作响的香肠、开放的庭院、火车站——所有这些都代表了您旅程中令人难忘的交汇点的快照。
除了引导和路径积分之外，我们还使用第三种方法来寻找方向。您在曼哈顿街角向一位上班族寻求帮助，他可能会说：“沿着第五大道直走，在 47 街左转，在公园大道右转，穿过赫尔姆斯利大厦下方的通道，然后穿过街道到达大都会人寿大厦进入中央车站。”这种策略称为路线跟随，它使用建筑物和街道名称等地标，以及方向——直走、转弯、穿过——到达中间点。路线跟随比引导或路径积分更精确，但如果您忘记了细节并走错了路，唯一的恢复方法是回溯，直到您到达熟悉的地方，因为您不知道大致方向或没有目标参考地标。
路线跟随导航策略真正挑战大脑。我们必须将所有地标和中间方向都记在脑海中。它是最详细、因此也是最可靠的方法，但它可能会被日常的记忆失误所破坏。使用路径积分，我们的认知记忆负担较轻；它只需要处理一些一般性指令和归巢矢量。路径积分之所以有效，是因为它最根本地依赖于我们对身体大致运动方向的了解，并且我们始终可以访问这些输入。然而，人们经常选择给出路线跟随方向，部分原因是说“朝那个方向直走！”在我们复杂的人造环境中根本行不通。
路线图还是隐喻？
在您下次访问曼哈顿时，您将依靠您的记忆来四处走动。您很可能会以各种组合方式使用引导、路径积分和路线跟随。但是，这些结构究竟如何提供具体的方向呢？我们人类是否像真实世界的图像一样，在脑海中有一张路线图——上面有城市、火车站和教堂的符号；高速公路的粗线；当地街道的细线？
神经生物学家和认知心理学家确实将我们记忆中控制导航的部分称为“认知地图”。地图隐喻显然具有诱惑力：地图是呈现地理信息以便于视觉检查的最简单方法。在许多文化中，地图在文字出现之前就已发展起来，今天它们几乎在每个社会中都使用。地图甚至有可能源于我们空间记忆网络连接的通用方式。
然而，脑海中存在字面意义上的地图的概念可能具有误导性；越来越多的研究表明，认知地图主要是一种隐喻。它可能更像是一个关系的分层结构。要返回中央车站，您首先要设想大尺度——也就是说，您要可视化车站的大致方向。在该系统内，您然后想象到达您记得的最后一个地方的路线。之后，您观察您附近的周围环境，以挑选出可识别的店面或街角，这将引导您前往该地点。在这个分层或嵌套的方案中，位置和距离是相对的，这与路线图形成对比，在路线图中，相同的信息以几何精确的比例显示。
行为证据也破坏了字面意义上的心理地图的想法。首先，阅读地图并不是特别容易。孩子们必须努力学习这项技能，许多成年人可以在一个城市生活几十年，而无法立即在地图上找到他们的住所。绘制一张即使是很熟悉的城镇的地图对许多人来说也是一项挑战。
也许人们更像沙漠蚂蚁，沙漠蚂蚁似乎只记住其即时旅行所需的东西，而没有创建任何类似完整地图的东西。我们可能会以类似的方式处理我们每天从家到办公室以及从办公室到咖啡馆的路线。人类和其他动物主要依靠基本的航位推算方法进行导航的观点，攻击了神经生物学家中广泛存在的偏见，他们声称哺乳动物存储空间知识的方式与低等动物不同。传统的观点是，人们创建包含抽象实体的复杂地图，并且这些地图独立于在路线中移动的人的视角——一种与真实世界的坐标一致的连贯概述。蚂蚁只知道往返巢穴的路线。它无法从一个觅食区到另一个觅食区走捷径——它必须始终先返回巢穴。
当研究人员争论极端情况时，他们正在逼近人类的位置记忆模型，该模型介于“脑海中的地图”和“死记硬背”之间。伊利诺伊大学的冉晓·弗朗西斯·王和哈佛大学的伊丽莎白·S·斯皮尔克在 2002 年描述了这样一个模型。再次想象一下，您正在第一次漫步在曼哈顿市中心。当您下火车并且四处游荡时，您会使用拍立得相机拍摄著名地点的照片。第一张照片可能显示离车站仅几个街区的热狗小贩，第二张照片显示几个街区外的一座宽阔的雕像，下一张照片显示一条大道外一座引人注目的教堂，依此类推。
您在前进时为快照编号，并记下您是如何从一个地方到达下一个地方的。如果您走在一条陌生的街道上，到达一个看起来熟悉的位置，您可以查看您的快照集合；如果您有该地方的图像，您可以写下您是如何从您拍摄的最后一个位置到达那里的。一直以来，当您继续前进时，您的大脑正忙于收集独特地点的图像，并将连接它们的路径一步一步地印刻下来，创建一个越来越密集的网络。
当到了返回车站的时候，您会在记忆中搜索从图像到图像的路径，拼凑出返回第一张照片的路线。就像蚂蚁一样，您只记住重要的项目。然而，为了节省时间，您可以跳过快照，并设计一条从您当前位置到两张照片前显示的位置的更直接的路径；与蚂蚁不同，您正在创造性地、灵活地使用您的位置记忆。您记得许多地方、许多路线，并且您可以在它们之间制定复杂的路径。然而，原则上，这种位置记忆模型仅操作两个要素：地点和路线。该模型功能强大但简单。
巡游六边形城
为了评估人类位置记忆是否以刚刚描述的方式工作，我在德国图宾根的马克斯·普朗克生物控制论研究所工作过的研究小组设计了一项测试，以跟踪人们如何在虚拟环境中导航。受试者坐在彩色监视器前，监视器显示一个名为六边形城的计算机生成的城市，因为它的街道以六边形网络布局。
我们要求测试参与者观察城镇网络中的一条特定街道，这条街道以他们在实际街道中间站立时的视线水平出现在他们面前。然后，我们要求他们“走”遍六边形城，并尝试记住他们的路线。除了街道沿线的常规结构外，还有两种类型的独特地标可用：放置在街道分支处的独特本地建筑物和全局参考，例如在远处可见的背景山脉和高层建筑物。
然后，我们通过旋转城镇和本地地标，同时保持全局地标固定，来改变视觉图像之间的关系。我们要求受试者从虚拟街道上的一个点开始，指出他们先前学习的路线现在走向哪个方向。
几乎没有受试者注意到旋转或将其作为线索；他们继续依靠他们先前的方向策略来尝试重新运行原始路线。一些参与者跟随本地地标并选择了与之前相同的方向；山脉和高层建筑物现在在不同地方升起的事实并没有困扰他们。他们没有意识到，他们已经随着城镇一起旋转了。其他人继续使用未更改的全局地标来确定自己的方向，这显然将他们引向了全新的路线。他们也没有注意到本地地标——房屋、广场、树木——与他们之前看到的那些地标不同。
这是否意味着我们每个人都只依赖一种类型的地标，甚至可能无法访问其他地标？为了回答这个问题，我们移除了山脉或十字路口的独特建筑物。参与者毫不费力地切换到另一组线索来重新运行他们的路线。
显然，我们的测试对象可以使用本地或全局地标来确定自己的方向，但如果两者都可用，他们决定只使用一种类型。然而，尚不清楚为什么他们没有注意到这两组地标之间的关系已旋转。更复杂的是，当我们在测试完成后指出这种变化时，他们中的大多数人经常强烈地争辩说，地标之间的关系没有改变。
我们还有更多的研究要进行。目前，我们可以得出结论，人类的位置记忆包含许多单独的信息位，但我们不会检查它们是否彼此一致。因此，矛盾的信息位可能会并排站立，而不会让我们感到困惑。这一观察表明，认知地图与真实的路线图不同，因为物理地图必须是连贯的。
所有思想的地铁
那么，认知地图在我们脑海中可能是什么样子呢？也许它们像图形一样，是点和连接的集合——有点像地铁地图。点或节点代表我们注意到的独特地标，它们之间的线对应于使我们从一个节点到达下一个节点的动作。
请注意，在好的地铁地图上，例如华盛顿特区的地图 [见下图]，不需要精确的距离和精确角度的转弯。地图仅近似于各个路段和方向的比例，并且仅将节点彼此相对地放置。精确的比例和地理严谨性会添加不必要的细节，这些细节会不必要地混淆导航需求。它们还会占用大量内存。并且可以添加新线路，而无需调整整个地图的所有细节。
使用类似于地铁地图的心理图，我们可以轻松地沿着一系列地标前进，从起点导航到终点。在曼哈顿，当到了返回火车站的时候，我们可以追溯一步一步的路线，或者设计一条从 C 点直接移动到 A 点的新方法。我们可以使用引导、路径积分或路线跟随（或某种组合）到达我们的目的地，并且我们不必用对我们前进路线没有帮助的细节来加重我们的大脑负担。
人类的脑海中存在大量认知地图。我们的位置记忆数百万年来没有改变——它只是改进了原始原理。事实上，哲学家、学者和大脑研究人员长期以来一直怀疑，空间定向不仅仅是一项特殊技能——它可能是记忆或思想本身的进化根源之一。例如，瑞士巴塞尔大学的科杜拉·尼奇及其同事在对沙鼠进行的实验中表明，海马体（一种深层而古老的大脑结构）的损伤程度越高，动物的空间定向和记忆保持能力就越受损，无法导航它们之前掌握的路线。
我们通常比抽象信息项目更好地记住位置这一事实，不仅仅表明位置记忆在我们对周围环境中物体的心理记录的总体能力中起着关键作用。18 世纪的哲学家伊曼纽尔·康德已经将空间、时间和因果关系的思想列为人类智能的基本组成部分，这些组成部分并非源于经验。根据康德的说法，人类根本不能不进行空间思考。在 20 世纪中期，诺贝尔奖获得者行为研究员康拉德·洛伦茨提出，第一批树栖灵长类动物复杂的三维环境为更高认知技能的发展提供了强大的动力。我们今天看到，我们在日常言语中使用的许多习语都具有空间根源：我们“适应”新情况，试图“找到摆脱”问题的方法，并要求同事“带我们了解”拟议的计划。
如果空间参考很容易转移到非空间信息，那么图形模型也可以转移到非地理任务。要制作蛋糕，您必须执行一系列操作。您测量配料，将它们混合在一起，装满蛋糕盘。每个步骤都是一个节点，您必须完成的工作才能从步骤一到步骤二是连接它们的线。这个烘焙图是灵活且可扩展的。有些食谱需要鸡蛋，这需要在“测量”和“混合”之间增加一个步骤——具体来说，就是打鸡蛋。您可能在另一种情况下（例如制作煎蛋卷）学到了这项技能，但您可以将其添加到蛋糕烘焙曲目中。以类似的方式，初次来到曼哈顿的游客从从其他环境中收集的信息中添加了如何四处走动的片段——太阳从东方升起，这表明北方，一位店主指出中央公园在北方，沿着第五大道，从中央车站总站出发。
在人类进化的过程中，发展出一种用于空间定向的记忆结构并非不可想象——这种结构后来被用于其他认知功能。低等动物应用空间认知的用途暗示了很多。或者更具挑衅性地说：在动物王国中，空间认知是最普遍的思想形式。