Edward Tolman：當老鼠在迷宮裡學會一張看不見的地圖

Edward Tolman：當老鼠在迷宮裡學會一張看不見的地圖

如果一隻老鼠第一次走進迷宮時沒有拿到食物，我們通常會說牠「沒有學會」。Edward C. Tolman 認為，這個結論下得太快了：老鼠可能已經在探索中取得了迷宮的結構，只是當時還沒有足夠的動機把這份知識表現出來。

這個看似細小的修正，讓心理學必須重新思考「學習」的定義。Tolman 不只問「哪個刺激導致哪個反應」，而是問：生物是否會形成對環境的期待、對目標的理解，以及一張可以在新情境中派上用場的內在地圖？他的工作後來成為目的行為主義（purposive behaviorism）、潛在學習（latent learning）與認知地圖（cognitive map）三條研究路線的重要先聲。

本文的核心主張是：Tolman 的真正貢獻，不是把「心智」偷偷塞回黑箱，而是示範如何用可觀察的行為實驗，嚴格推論出介於刺激與反應之間的表徵、期待與目標導向過程。

1. Tolman 是誰？他在行為主義內部改造它

Edward Chace Tolman 生於 1886 年，1959 年逝世。1918 年起，他在加州大學柏克萊分校任教，後來幾乎整個學術生涯都在那裡完成。美國國家科學院的傳記把他的早期問題概括得很準：動物行為中的「目的」與「知識」，是否能成為實驗心理學的研究對象？[1]

這個問題之所以尖銳，是因為當時的美國心理學正努力把自己變成一門客觀科學。不同版本的行為主義都重視可測量的刺激、反應與強化關係，但 Tolman 反對把這些關係進一步壓縮成彼此孤立的、原子化的 S–R 連結。這個方法論轉向非常重要；它同時也帶來一個風險：如果只允許研究最後呈現出來的動作，就很容易把「沒有表現」誤認成「沒有學習」。[1][2][13]

Tolman 的策略不是回到內省心理學，也不是直接宣稱老鼠「有意識」。他保留行為主義的實驗方法，卻把行為的分析單位拉大：老鼠在迷宮中的路徑、探索、停頓、繞路與改走捷徑，應該被視為朝向目標的整體活動，而不是一串彼此黏住的肌肉反應。

這也是他所謂「目的行為」的意思。目的不是神秘的靈魂力量，而是研究者可以從一組行為的方向性、彈性與對環境變化的適應，反推出來的功能性組織。

2. 目的行為主義：在刺激與反應之間放入可檢驗的中介

Tolman 對傳統刺激—反應（stimulus–response, S–R）理論的主要不滿，是它往往把學習寫成「刺激出現，固定反應被強化」。但如果動物學到的是「這個地方通往食物」，那麼牠之後換一個起點、遇到一條新路，應該能根據目標位置調整路徑；單純的右轉習慣則未必做得到。

因此，Tolman 引入了「中介變項」（intervening variables）與理論構念。研究者可以操弄環境中的獨立變項，例如迷宮配置、食物、飢餓程度、起點與訓練次數；最後測量依變項，例如選擇哪條路、錯誤次數與到達目標的時間。中介變項不是研究者已經看見的大腦實體，而是連結環境條件與行為結果、並可被新實驗檢驗的功能性假設。1938 年 Tolman 列出的核心項目包括 demand、appetite、differentiation、motor skill、hypotheses 與 biases。[3]

可以把他的分析簡化成：

環境與需求 → 期待／假設／辨識 → 對目標與路徑的選擇

這並不表示 Tolman 已經知道大腦裡有哪一組神經元在執行「期待」。用今天的術語回看，這比較接近功能與計算方式的層級，而不是神經實作的層級；這是一種事後類比，不是 Tolman 當時使用的框架。1938 年的〈The Determiners of Behavior at a Choice Point〉是他最完整的理論整理之一，專門分析老鼠在岔路口為何向左或向右，並把環境變項、個體差異與 VTE（vicarious trial and error，徘徊式試誤）放進同一個框架。[3]

3. 潛在學習：學習不等於當下的表現

Tolman 最常被提到的實驗現象，其實始於他的學生 Hugh Blodgett 在 1929 年的研究。Blodgett 把老鼠分成幾組，讓牠們每天探索六段式迷宮：控制組每天在終點得到食物；實驗組在前幾天只探索迷宮，不在終點得到食物，到了第 3 天或第 7 天才開始拿到獎勵。[4][5]

如果把學習簡化成「只有已被獎勵的反應才會累積」，那麼前幾天沒有食物的老鼠應該沒有取得多少迷宮資訊。然而，當食物第一次出現後，這些老鼠的錯誤數很快下降，表現不像是從零開始，而像是把前幾天探索時取得的部分資訊用起來。Blodgett 把這種「先學到、後表現」的現象稱為潛在學習。

Tolman 在 1948 年回顧這段研究時，特別把概念的優先權歸給 Blodgett；他與 Charles Honzik 後來在更大的 T 形迷宮中重做相關實驗，得到相似的突然改善。[5] 這個學術細節值得保留，因為教科書很容易把所有結果簡化成「Tolman 的迷宮實驗」，卻抹掉學生與實驗室的共同工作。

潛在學習的理論意義，在於拆開兩件經常被混為一談的事：

  • learning：系統是否已經取得了環境中的關係與結構。
  • performance：在當下的動機、獎勵與情境下，這些知識是否被表現出來。

Tolman 將這組結果解讀為：食物可能改變的是 performance，而不一定是 learning 本身。這支持 learning／performance 的區分，但單一迷宮實驗不能直接觀察到「內部地圖」，也沒有排除所有替代解釋。獎勵仍然重要；較精確的說法是，獎勵可能使既有的環境資訊變得值得使用，而不必然是每一個環境關係的唯一來源。

這個區分對今天的機器學習仍然有直覺上的價值：一個 agent 在沒有明確 reward 時探索環境，可能已經建立了狀態之間的關係；後來目標函數改變時，問題不一定是重新學會整個世界，而是把既有表徵接到新的價值上。這裡的相似之處不是「老鼠等於 AI」，而是兩者都提醒我們：行為表現受到目標函數影響，不必然等於系統內部已經取得的資訊。這是現代類比，不是 Tolman 當時提出的數學模型。

4. 認知地圖：為什麼「走過的路」不等於「學到的路」

1948 年，Tolman 在《Psychological Review》發表〈Cognitive Maps in Rats and Men〉。這篇論文不是只報告一個迷宮結果，而是把柏克萊實驗室多年來的五類研究放在一起討論：潛在學習、VTE、尋找刺激、假設，以及空間定向。[5][6]

認知地圖在這裡不是指老鼠腦中真的有一張紙本地圖，更不是後來神經科學所說的某個特定腦區。它是一個可以由行為檢驗的理論構念或功能性表徵：動物可能學到環境中地點、方向、障礙與目標之間的關係，形成一種比「在這個位置向右轉」更有彈性的內部表徵。

判斷動物是否形成認知地圖，關鍵不只在於牠能否記住一條路，而在於起點或路徑改變後，牠是否仍能根據目標位置重新選路。Tolman、Benbow Ritchie 與 Donald Kalish 的 1946 年空間學習研究，是這條證據鏈中的經典案例：研究老鼠如何定向、走捷徑，以及偏好學習一個地方（place）還是固定反應（response）。[7][8]

在 Tolman 的解釋裡，若老鼠只學會一連串動作，熟悉路徑被堵住後應該只會重複原本的反應，或在局部錯誤中慢慢修正；若牠掌握的是「食物位於環境中的某個方向」，就可能在新的路徑配置中選擇更接近目標的出口。這是理論預測，不是實驗直接讀出的心理內容。

在〈Studies in Spatial Learning II〉中，研究者讓一組老鼠學「永遠向右轉」，另一組則學「永遠前往同一個地方」。摘要記載，在兩個起點交替使用的條件下，只有 3 隻右轉組達到標準，另外 5 隻發展出穩定的「前往同一位置」策略。[8] 在這個特定迷宮、線索與訓練條件下，結果與位置學習比固定轉向更容易的解釋一致；它不等於證明老鼠擁有一張完整的幾何地圖。後來的綜述指出，位置學習與反應學習都可能出現，主導策略會受到訓練量、視覺線索與情緒喚起等因素影響。[13]

Tolman 也討論了「窄條地圖」與「廣泛整體地圖」的差異。重複走同一條路、環境線索不足、腦部受損或挫折條件過強，都可能使行為更依賴狹窄的路徑表徵；豐富的線索與較有彈性的探索，則有利於形成更廣的環境關係。[5] 這個觀點比「老鼠有地圖／沒有地圖」的二分法細緻得多：表徵本身也有範圍與解析度。

還有一個不能略過的研究室 credit：Tolman 在 1948 年回顧時把具體實驗與想法分配給學生、研究助理與合作者，包括 VTE 術語的 Muenzinger、空間定向研究中的 Ritchie，以及實驗室中實際完成設計與工作的研究者。[1][5] 「Tolman 的認知地圖」因此更準確地說，是 Tolman 與柏克萊實驗室共同累積的理論與實驗計畫。

5. VTE 與「假設」：岔路口不是反射弧，而是決策點

Tolman 感興趣的不只是老鼠最後選了哪一條路，也包括牠在選擇前做了什麼。VTE 指的是老鼠在岔路口前停頓、來回觀察、左右試探的行為；這個術語由 Colorado 的心理學家 Muenzinger 提出，Tolman 則把它放進自己的學習理論中。[5]

在視覺辨別任務裡，VTE 常在動物剛開始掌握「真正重要的線索是什麼」時出現。可觀察到的事實是停頓、來回轉向與試探；「比較選項」或「尋找問題規則」則是 Tolman 的功能性解讀，不是行為本身直接揭示的心理內容。用今天的語言說，這個解讀接近策略與假設搜尋：學習不只是把反應頻率調高，也可能包含發現「這個任務到底要我注意什麼」。[5]

這裡可以看出他的另一個重要貢獻：他把動物行為中的彈性、選擇與錯誤，視為理論資料，而不是實驗噪音。迷路、停頓與繞路不必然代表學習失敗，有時反而暴露了系統正在重組對環境的理解。

6. Tolman 最重要的貢獻，可以整理成五層

第一，他把目的性帶回了科學心理學。行為可以朝向目標，並不表示研究者必須訴諸不可檢驗的心靈實體；目標導向可以透過選擇、路徑彈性與環境變化下的行為轉移來研究。[1][3]

第二，他區分了學習與表現。這個區分削弱了「沒有獎勵就沒有學習」的簡單版本，讓研究者必須分別考慮知識取得、動機與表現條件。[4][5]

第三，他提出了認知地圖這個跨學科概念。它從老鼠迷宮出發，後來成為空間認知、導航、記憶與神經科學的重要語彙；更謹慎的說法是，它提供了對關係結構的功能性描述，而不是一張固定的腦內地圖。[5][9]

第四，他提供了連接行為主義與認知研究的中間道路。他既不放棄客觀實驗，也不接受把所有複雜行為壓縮成刺激—反應鏈。這使他的工作成為後來認知心理學興起時的重要前置資源。[10]

第五，他把學術自由視為大學研究的一部分。1949–1950 年加州大學柏克萊分校的忠誠宣誓爭議中，Tolman 參與並領導教員反對強制宣誓；這不是他的心理學理論，但同樣是他公共學者身分的重要部分。[1]

7. 重要著作與論文：建議從哪裡讀起

如果只想讀最核心的幾篇，可以依照閱讀目的選擇：想先抓住核心思想，讀 1948 年的認知地圖論文；想理解完整理論，讀 1932 年的系統著作；想讀經典實驗，讀 1946 年的空間學習論文；想追蹤晚期理論，再讀 1949 與 1955 年的文章。

  1. Blodgett, “The Effect of the Introduction of Reward Upon the Maze Performance of Rats”（1929）：潛在學習研究的起點。Tolman 在 1948 年明確把概念與先行實驗歸給 Blodgett。[4][5]
  2. Tolman & Honzik, “Insight” in Rats（1930）：收錄於柏克萊的心理學出版物，代表 Tolman 實驗室用迷宮行為討論洞察、目的與學習的早期嘗試。[1][6]
  3. Purposive Behavior in Animals and Men（1932）：Tolman 最完整的理論著作，把目的行為、中介變項、動機、期待與動物—人類心理學放在同一個系統裡。[1][2]
  4. “The Determiners of Behavior at a Choice Point”（1938）：以岔路口選擇為核心，整理環境變項、個體差異、假設、動機與 VTE，是理解他如何把認知概念接上行為資料的關鍵文章。[3]
  5. “Prediction of Vicarious Trial and Error by Means of the Schematic Sowbug”（1939）：把 VTE 發展成可被預測與模型化的行為現象，適合和 1948 年的回顧一起讀。[15]
  6. Tolman, Ritchie & Kalish, “Studies in Spatial Learning I: Orientation and the Short-Cut”（1946）：研究空間定向與捷徑，讓「老鼠學到環境關係」成為可與反應鏈競爭的解釋。[7]
  7. Tolman, Ritchie & Kalish, “Studies in Spatial Learning II: Place Learning versus Response Learning”（1946）：直接比較「學位置」與「學反應」，是認知地圖論證中最適合拿來做實驗細讀的一篇。[8]
  8. “Cognitive Maps in Rats and Men”（1948）：Tolman 最著名的論文，將潛在學習、VTE、假設與空間定向整合成認知地圖的理論敘事；讀者也應同時注意後來對 Sunburst 實驗複現性的質疑。[5][14]
  9. “There Is More Than One Kind of Learning”（1949）：他主張不同形式的學習可能需要不同的法則，並討論期待、辨識、動機與動作技能等學習成分。[11]
  10. “Principles of Performance”（1955）：晚期論文，延伸討論壓桿、逃避行為、反應組合與 VTE，適合在讀完 1948 年論文後追蹤他的理論如何轉向更廣的行為表現問題。[12]

8. 從 Tolman 到海馬迴：哪些是他的，哪些不是他的？

後來的神經科學把認知地圖與海馬迴連在一起，尤其是 O’Keefe 與 Nadel 1978 年的《The Hippocampus as a Cognitive Map》。這條研究線非常重要，但時間順序不能顛倒：Tolman 做的是行為心理學與理論構念；他沒有記錄 place cells，也沒有提出現代意義的海馬迴迴路模型。O’Keefe 與 Nadel 不是單純替 Tolman 的理論「找到一個腦區」，而是把行為層級的問題重新發展成神經生物學理論。[5][9][16]

比較準確的說法是，Tolman 提供了一個行為層級的問題：動物是否表徵了環境中可供利用的關係？後來的神經科學才進一步問：哪些神經系統承載這些表徵？它們如何隨探索、目標、上下文與記憶更新？NCBI Bookshelf 的歷史整理把 1948 年 Tolman 論文視為認知地圖概念的重要起點，同時提醒讀者，後來不同領域使用「地圖」一詞時，對它的結構與功能並不完全相同。[9]

從今天回看，Tolman 對環境關係、目標與可轉移路徑的重視，可以和 world model、representation learning、model-based reinforcement learning 或 successor representation 產生概念類比。但這不是直接的思想傳承，也不表示 Tolman 已經提出 Bellman equation、神經網路或 successor representation；那些是後來的形式化與實作。把這段歷史連起來的價值，在於比較問題意識，不是替現代 AI 尋找一位早期發明者。

9. 限制與真正值得留下的問題

Tolman 的理論有一個明顯限制：它非常有生產力，卻不總是足夠精確。中介變項與認知地圖可以組織大量現象，但若沒有更具體的更新規則，就難以唯一預測每一個新情境。1948 年的「地圖」也可能被讀者誤解成一個統一、精準、像紙本地圖的內部模型；實際上，動物的表徵可能是局部的、依賴線索的，甚至會隨動機與路徑改變。[5][9]

更具體的經驗性限制來自 Sunburst 迷宮。2026 年的統合分析重新檢視 12 項、共 46 個複現實驗，發現只有少數實驗重現原始的捷徑效果；作者因此認為，這個經典任務本身不適合單獨作為「老鼠利用認知地圖導航」的充分證據。[14] 這不會自動推翻認知地圖框架，但它迫使我們把三件事分開：實驗觀察到老鼠選了哪條路、Tolman 對此提出的解釋，以及後來研究對線索、程序與替代策略的檢驗。

他的歷史位置也不宜被寫成「Tolman 推翻行為主義，直接創造認知科學」。行為主義帶來的客觀測量與實驗控制，是 Tolman 能夠提出反例的前提；而認知心理學的形成，也同時受到語言學、資訊處理、計算機科學與神經科學的推動。[10] Tolman 的特殊位置，是在行為主義內部主張：內部表徵可以先作為功能性假設，再接受行為實驗的檢驗。

這也是他今天仍然值得讀的理由。老鼠在迷宮裡走錯，不一定代表它什麼都沒學到；人類在新情境裡做出捷徑，也不一定只是把舊反應換個方向。對今天的 AI 而言，Tolman 的問題仍然尖銳：一個 agent 究竟只是記住了反應，還是掌握了狀態、目標與路徑之間、足以支援轉移與重新規劃的關係？

References

  1. Ritchie, B. F. (1964). Edward Chace Tolman: A Biographical Memoir. National Academy of Sciences.
  2. Tolman, E. C. (1932). Purposive Behavior in Animals and Men. New York: Century Co., xiv + 463 pp. 書目可由 National Academy of Sciences 的 Tolman bibliography 核對。[1]
  3. Tolman, E. C. (1938). The Determiners of Behavior at a Choice Point. Psychological Review, 45(1), 1–41.
  4. Blodgett, H. C. (1929). The Effect of the Introduction of Reward Upon the Maze Performance of Rats. University of California Publications in Psychology, 4(8), 113–134.
  5. Tolman, E. C. (1948). Cognitive Maps in Rats and Men. Psychological Review, 55(4), 189–208. DOI: 10.1037/h0061626.
  6. Tolman, E. C., & Honzik, C. H. (1930). “Insight” in Rats. University of California Publications in Psychology, 4, 215–232. 書目見 National Academy of Sciences bibliography, p. 319。
  7. Tolman, E. C., Ritchie, B. F., & Kalish, D. (1946). Studies in Spatial Learning I: Orientation and the Short-Cut. Journal of Experimental Psychology, 36, 13–24.
  8. Tolman, E. C., Ritchie, B. F., & Kalish, D. (1946). Studies in Spatial Learning II: Place Learning versus Response Learning. Journal of Experimental Psychology, 36(3), 221–229.
  9. NCBI Bookshelf. Memory Structure and Cognitive Maps. Neuroscience and Philosophy.
  10. History of Cognitive Psychology, chapter discussing behaviorism, Tolman and the cognitive revolution.
  11. Tolman, E. C. (1949). There Is More Than One Kind of Learning. Psychological Review, 56(3), 144–155.
  12. Tolman, E. C. (1955). Principles of Performance. Psychological Review, 62(5), 315–326.
  13. Goodman, J. (2021). Place vs. Response Learning: History, Controversy, and Neurobiology. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 14, 598570.
  14. Duvelle, É., & Grieves, R. M. (2026). Tolman’s Sunburst Maze 80 Years on: A Meta-Analysis Reveals Poor Replicability and Little Evidence for Shortcutting. European Journal of Neuroscience, 63(1), e70365.
  15. Tolman, E. C. (1939). Prediction of Vicarious Trial and Error by Means of the Schematic Sowbug. Psychological Review, 46(4), 318–336.
  16. O’Keefe, J., & Nadel, L. (1978). The Hippocampus as a Cognitive Map. Oxford University Press.

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