“行駛200碼，然後右轉，”汽車電腦聲音說。您在駕駛座上放鬆身心，按照指示行駛，並無誤地到達目的地。擁有全球定位系統 (GPS) 來引導您到達目標幾碼之內當然很好。然而，如果衛星服務的數字地圖稍微過時，您可能會迷路。然後您必須依靠人類古老的在三維空間中導航的技能。
幸運的是，您的生物定位器比 GPS 具有重要的優勢：即使只有一個引導系統出現故障，它也不會出錯，因為它以多種方式工作。您可以向人行道上的人們詢問。或者沿著看起來熟悉的街道走。或者依靠導航規則：“如果我讓東河在我的左邊，我最終會穿過 34 街。”人類定位系統是靈活且能夠學習的。任何知道從 A 點到 B 點以及從 A 點到 C 點的路徑的人，可能也可以弄清楚如何從 B 點到達 C 點。
但是這個複雜的認知系統究竟是如何運作的呢？研究人員正在研究人們用來在空間中定位自己的幾種策略：引導、路徑積分和路線跟隨。我們可能會使用所有三種或它們的組合。隨著專家們對這些導航技能瞭解得越多，他們正在提出論點，即我們的能力可能構成我們記憶和邏輯思維能力的基礎。
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中央車站，拜託
想象一下，您已到達一個從未去過的地方——紐約市。您在曼哈頓市中心的中央車站總站下火車。您有幾個小時的時間去探索，然後必須返回乘坐火車回家。您前往上城區，去看看您被告知的熱門景點：洛克菲勒中心、中央公園、大都會藝術博物館。您沿途隨意進出商店。突然，到了返回車站的時間了。但是怎麼回去呢？
如果您向路人尋求幫助，您很可能會收到多種不同形式的資訊。一個以著名地標為方向的人會向南示意：“看看那邊。看到高大而寬闊的大都會人壽大廈了嗎？朝著它走——車站就在它下面。”神經學家將這種導航方法稱為“引導”，意思是遠處可見的地標充當一個人目的地的標記。
另一位城市居民可能會說：“你還記得經過哪些地方嗎？……好的。朝著中央公園的盡頭走，然後走到聖帕特里克大教堂。再走幾個街區，中央車站就在你的左邊。”在這種情況下，您被指向您記得的最近的地方，並且您以它為目標。到達那裡後，您前往下一個著名的地方，依此類推，追溯您的路徑。您的大腦正在將您旅程的各個部分加在一起，形成一份累積的進度報告。研究人員將這種策略稱為“路徑積分”。
許多動物主要依靠路徑積分來四處走動，包括昆蟲、蜘蛛、螃蟹和齧齒動物。Cataglyphis屬的沙漠螞蟻採用這種方法從遠至 100 碼的地方覓食返回。它們記下它們來自的大致方向並追溯它們的腳步，即使在陰天也使用太陽光的偏振來確定自己的方向。在返回的路上，它們忠實於內在的歸巢向量。即使科學家撿起一隻螞蟻並將其放在一個完全不同的地方，這隻昆蟲也會頑固地按照最初確定的方向前進，直到它“返回”了它從巢穴中游蕩的所有距離。直到那時，螞蟻才意識到它沒有成功，並且開始以越來越大的環形行走以找到回家的路。
無論是試圖返回蟻丘還是火車站，任何使用路徑積分的動物都必須跟蹤自己的運動，以便它在返回時知道它已經完成了哪些路段。當您移動時，您的大腦會從您的環境中收集資料——視覺、聲音、氣味、光線、肌肉收縮、時間流逝的感覺——以確定您的身體已經走了哪個方向。教堂的尖頂、小販烤架上滋滋作響的香腸、開放的庭院、火車站——所有這些都代表了您旅程中令人難忘的交匯點的快照。
除了引導和路徑積分之外，我們還使用第三種方法來尋找方向。您在曼哈頓街角向一位上班族尋求幫助，他可能會說：“沿著第五大道直走，在 47 街左轉，在公園大道右轉，穿過赫爾姆斯利大廈下方的通道，然後穿過街道到達大都會人壽大廈進入中央車站。”這種策略稱為路線跟隨，它使用建築物和街道名稱等地標，以及方向——直走、轉彎、穿過——到達中間點。路線跟隨比引導或路徑積分更精確，但如果您忘記了細節並走錯了路，唯一的恢復方法是回溯，直到您到達熟悉的地方，因為您不知道大致方向或沒有目標參考地標。
路線跟隨導航策略真正挑戰大腦。我們必須將所有地標和中間方向都記在腦海中。它是最詳細、因此也是最可靠的方法，但它可能會被日常的記憶失誤所破壞。使用路徑積分，我們的認知記憶負擔較輕；它只需要處理一些一般性指令和歸巢向量。路徑積分之所以有效，是因為它最根本地依賴於我們對身體大致運動方向的瞭解，並且我們始終可以訪問這些輸入。然而，人們經常選擇給出路線跟隨方向，部分原因是說“朝那個方向直走！”在我們複雜的人造環境中根本行不通。
路線圖還是隱喻？
在您下次訪問曼哈頓時，您將依靠您的記憶來四處走動。您很可能會以各種組合方式使用引導、路徑積分和路線跟隨。但是，這些結構究竟如何提供具體的方向呢？我們人類是否像真實世界的影像一樣，在腦海中有一張路線圖——上面有城市、火車站和教堂的符號；高速公路的粗線；當地街道的細線？
神經生物學家和認知心理學家確實將我們記憶中控制導航的部分稱為“認知地圖”。地圖隱喻顯然具有誘惑力：地圖是呈現地理資訊以便於視覺檢查的最簡單方法。在許多文化中，地圖在文字出現之前就已發展起來，今天它們幾乎在每個社會中都使用。地圖甚至有可能源於我們空間記憶網路連線的通用方式。
然而，腦海中存在字面意義上的地圖的概念可能具有誤導性；越來越多的研究表明，認知地圖主要是一種隱喻。它可能更像是一個關係的分層結構。要返回中央車站，您首先要設想大尺度——也就是說，您要視覺化車站的大致方向。在該系統內，您然後想象到達您記得的最後一個地方的路線。之後，您觀察您附近的周圍環境，以挑選出可識別的店面或街角，這將引導您前往該地點。在這個分層或巢狀的方案中，位置和距離是相對的，這與路線圖形成對比，在路線圖中，相同的資訊以幾何精確的比例顯示。
行為證據也破壞了字面意義上的心理地圖的想法。首先，閱讀地圖並不是特別容易。孩子們必須努力學習這項技能，許多成年人可以在一個城市生活幾十年，而無法立即在地圖上找到他們的住所。繪製一張即使是很熟悉的城鎮的地圖對許多人來說也是一項挑戰。
也許人們更像沙漠螞蟻，沙漠螞蟻似乎只記住其即時旅行所需的東西，而沒有建立任何類似完整地圖的東西。我們可能會以類似的方式處理我們每天從家到辦公室以及從辦公室到咖啡館的路線。人類和其他動物主要依靠基本的航位推算方法進行導航的觀點，攻擊了神經生物學家中廣泛存在的偏見，他們聲稱哺乳動物儲存空間知識的方式與低等動物不同。傳統的觀點是，人們建立包含抽象實體的複雜地圖，並且這些地圖獨立於在路線中移動的人的視角——一種與真實世界的座標一致的連貫概述。螞蟻只知道往返巢穴的路線。它無法從一個覓食區到另一個覓食區走捷徑——它必須始終先返回巢穴。
當研究人員爭論極端情況時，他們正在逼近人類的位置記憶模型，該模型介於“腦海中的地圖”和“死記硬背”之間。伊利諾伊大學的冉曉·弗朗西斯·王和哈佛大學的伊麗莎白·S·斯皮爾克在 2002 年描述了這樣一個模型。再次想象一下，您正在第一次漫步在曼哈頓市中心。當您下火車並且四處遊蕩時，您會使用拍立得相機拍攝著名地點的照片。第一張照片可能顯示離車站僅幾個街區的熱狗小販，第二張照片顯示幾個街區外的一座寬闊的雕像，下一張照片顯示一條大道外一座引人注目的教堂，依此類推。
您在前進時為快照編號，並記下您是如何從一個地方到達下一個地方的。如果您走在一條陌生的街道上，到達一個看起來熟悉的位置，您可以檢視您的快照集合；如果您有該地方的影像，您可以寫下您是如何從您拍攝的最後一個位置到達那裡的。一直以來，當您繼續前進時，您的大腦正忙於收集獨特地點的影像，並將連線它們的路徑一步一步地印刻下來，建立一個越來越密集的網路。
當到了返回車站的時候，您會在記憶中搜索從影像到影像的路徑，拼湊出返回第一張照片的路線。就像螞蟻一樣，您只記住重要的專案。然而，為了節省時間，您可以跳過快照，並設計一條從您當前位置到兩張照片前顯示的位置的更直接的路徑；與螞蟻不同，您正在創造性地、靈活地使用您的位置記憶。您記得許多地方、許多路線，並且您可以在它們之間制定複雜的路徑。然而，原則上，這種位置記憶模型僅操作兩個要素：地點和路線。該模型功能強大但簡單。
巡遊六邊形城
為了評估人類位置記憶是否以剛剛描述的方式工作，我在德國圖賓根的馬克斯·普朗克生物控制論研究所工作過的研究小組設計了一項測試，以跟蹤人們如何在虛擬環境中導航。受試者坐在彩色監視器前，監視器顯示一個名為六邊形城的計算機生成的城市，因為它的街道以六邊形網路佈局。
我們要求測試參與者觀察城鎮網路中的一條特定街道，這條街道以他們在實際街道中間站立時的視線水平出現在他們面前。然後，我們要求他們“走”遍六邊形城，並嘗試記住他們的路線。除了街道沿線的常規結構外，還有兩種型別的獨特地標可用：放置在街道分支處的獨特本地建築物和全域性參考，例如在遠處可見的背景山脈和高層建築物。
然後，我們透過旋轉城鎮和本地地標，同時保持全域性地標固定，來改變視覺影像之間的關係。我們要求受試者從虛擬街道上的一個點開始，指出他們先前學習的路線現在走向哪個方向。
幾乎沒有受試者注意到旋轉或將其作為線索；他們繼續依靠他們先前的方向策略來嘗試重新執行原始路線。一些參與者跟隨本地地標並選擇了與之前相同的方向；山脈和高層建築物現在在不同地方升起的事實並沒有困擾他們。他們沒有意識到，他們已經隨著城鎮一起旋轉了。其他人繼續使用未更改的全域性地標來確定自己的方向，這顯然將他們引向了全新的路線。他們也沒有注意到本地地標——房屋、廣場、樹木——與他們之前看到的那些地標不同。
這是否意味著我們每個人都只依賴一種型別的地標，甚至可能無法訪問其他地標？為了回答這個問題，我們移除了山脈或十字路口的獨特建築物。參與者毫不費力地切換到另一組線索來重新執行他們的路線。
顯然，我們的測試物件可以使用本地或全域性地標來確定自己的方向，但如果兩者都可用，他們決定只使用一種型別。然而，尚不清楚為什麼他們沒有注意到這兩組地標之間的關係已旋轉。更復雜的是，當我們在測試完成後指出這種變化時，他們中的大多數人經常強烈地爭辯說，地標之間的關係沒有改變。
我們還有更多的研究要進行。目前，我們可以得出結論，人類的位置記憶包含許多單獨的資訊位，但我們不會檢查它們是否彼此一致。因此，矛盾的資訊位可能會並排站立，而不會讓我們感到困惑。這一觀察表明，認知地圖與真實的路線圖不同，因為物理地圖必須是連貫的。
所有思想的地鐵
那麼，認知地圖在我們腦海中可能是什麼樣子呢？也許它們像圖形一樣，是點和連線的集合——有點像地鐵地圖。點或節點代表我們注意到的獨特地標，它們之間的線對應於使我們從一個節點到達下一個節點的動作。
請注意，在好的地鐵地圖上，例如華盛頓特區的地圖 [見下圖]，不需要精確的距離和精確角度的轉彎。地圖僅近似於各個路段和方向的比例，並且僅將節點彼此相對地放置。精確的比例和地理嚴謹性會新增不必要的細節，這些細節會不必要地混淆導航需求。它們還會佔用大量記憶體。並且可以新增新線路，而無需調整整個地圖的所有細節。
使用類似於地鐵地圖的心理圖，我們可以輕鬆地沿著一系列地標前進，從起點導航到終點。在曼哈頓，當到了返回火車站的時候，我們可以追溯一步一步的路線，或者設計一條從 C 點直接移動到 A 點的新方法。我們可以使用引導、路徑積分或路線跟隨（或某種組合）到達我們的目的地，並且我們不必用對我們前進路線沒有幫助的細節來加重我們的大腦負擔。
人類的腦海中存在大量認知地圖。我們的位置記憶數百萬年來沒有改變——它只是改進了原始原理。事實上，哲學家、學者和大腦研究人員長期以來一直懷疑，空間定向不僅僅是一項特殊技能——它可能是記憶或思想本身的進化根源之一。例如，瑞士巴塞爾大學的科杜拉·尼奇及其同事在對沙鼠進行的實驗中表明，海馬體（一種深層而古老的大腦結構）的損傷程度越高，動物的空間定向和記憶保持能力就越受損，無法導航它們之前掌握的路線。
我們通常比抽象資訊專案更好地記住位置這一事實，不僅僅表明位置記憶在我們對周圍環境中物體的心理記錄的總體能力中起著關鍵作用。18 世紀的哲學家伊曼紐爾·康德已經將空間、時間和因果關係的思想列為人類智慧的基本組成部分，這些組成部分並非源於經驗。根據康德的說法，人類根本不能不進行空間思考。在 20 世紀中期，諾貝爾獎獲得者行為研究員康拉德·洛倫茨提出，第一批樹棲靈長類動物複雜的三維環境為更高認知技能的發展提供了強大的動力。我們今天看到，我們在日常言語中使用的許多習語都具有空間根源：我們“適應”新情況，試圖“找到擺脫”問題的方法，並要求同事“帶我們瞭解”擬議的計劃。
如果空間參考很容易轉移到非空間資訊，那麼圖形模型也可以轉移到非地理任務。要製作蛋糕，您必須執行一系列操作。您測量配料，將它們混合在一起，裝滿蛋糕盤。每個步驟都是一個節點，您必須完成的工作才能從步驟一到步驟二是連線它們的線。這個烘焙圖是靈活且可擴充套件的。有些食譜需要雞蛋，這需要在“測量”和“混合”之間增加一個步驟——具體來說，就是打雞蛋。您可能在另一種情況下（例如製作煎蛋卷）學到了這項技能，但您可以將其新增到蛋糕烘焙曲目中。以類似的方式，初次來到曼哈頓的遊客從從其他環境中收集的資訊中添加了如何四處走動的片段——太陽從東方升起，這表明北方，一位店主指出中央公園在北方，沿著第五大道，從中央車站總站出發。
在人類進化的過程中，發展出一種用於空間定向的記憶結構並非不可想象——這種結構後來被用於其他認知功能。低等動物應用空間認知的用途暗示了很多。或者更具挑釁性地說：在動物王國中，空間認知是最普遍的思想形式。