题主的问题看似简单，其实相当复杂。区区一个读书的动作，涉及了许多认知过程。偏偏目前的脑科学研究也只是了解了大脑的皮毛，还有大量未知等待着进一步的探索。

我以前也会不时冒出类似题主的想法，是否有可能我们看过的画面、听过的声音全部都存下来了，只是有些我们能检索得到，有些检索不到而已。然而对认知的机制研究工作庞大和驳杂，仅仅是对记忆的研究就可以从神经科学、心理学、哲学，甚至是计算机科学和社会学角度做出阐述。学习神经科学这几年仍然对很多概念和学说难以理清，更别说追踪最新的研究进展了。我也只能从自己所学尽力对这个问题进行一点分析，比较粗糙，将来会持续补充，也欢迎大家补充和讨论。

把读书这个行为简化，至少有注意（attention）和记忆（memory）这两种认知活动，其中又以记忆为主。

什么是记忆？

记忆是我们通过神经系统将外界信息进行编码、存储以及检索的过程。

记忆可以分哪些类型？

1. 感觉记忆（Sensory memory）

感觉记忆是我们通过感官（如视觉、听觉、触觉等），在接触物体几毫秒之内留下的信息。如图1中常见的仙女棒，能形成这样的效果就是靠视觉产生的短暂图像记忆（iconic memory）完成的。感觉记忆一般是被动接受到的外界信息，能储存多少是自身的意识无法控制的。感觉记忆维持的时间一般是毫秒级。

<img data-rawheight="375" data-rawwidth="500" src="http://p3.zhimg.com/fc/ab/fcabc56ffeb7229a63d708e40969d5a9_m.jpg" class="origin_image zh-lightbox-thumb" data-original="http://p3.zhimg.com/fc/ab/fcabc56ffeb7229a63d708e40969d5a9_r.jpg"> 图1 仙女棒留下的图像记忆 图1 仙女棒留下的图像记忆

2. 短期记忆（Short-term memory）

短期记忆则是我们短期保留信息的能力，维持时间通常是以秒来计的。比如记录一个新的电话号码，输入手机后的半分钟内大约还能回想起来，往往一分钟后就很难再回忆出来。短期记忆维持的时间很短，一般是秒级，加入新的信息后，前面的信息会很快被遗忘。若没有及时对信息进行复述，也会很快遗忘，并且难以恢复。但其在日常生活中仍有重要的作用，如做口头的加减乘除运算，如33×7，我们会把个位的3和7相乘，个位得1，进2位到十位，再将十位的3和7相乘，得到的21再加2，这一系列运算都依靠短期记忆完成，完成后就被很快忘掉。

3. 长期记忆（Long-term memory）

长期记忆在结构与功能上与感觉记忆和短期记忆有了较大的差别，维持的时间也是不确定的，有可能维持30分钟，也有可能人的一生都难以忘却。一般来说，谈到对信息进行编码、存储以及检索的过程指的都是长期记忆。

长期记忆从功能上看，时间远长于短期记忆。结构上看，也与短期记忆不同。目前认为记忆功能的实现靠脑内神经元（脑内主要神经细胞）之间的互相联系而产生，而神经元之间通过突触（Synapse）来连接。一般说来，短期记忆不需要脑内新蛋白质的合成，只是通过电信号和化学信号引起突触连接的加强，而长期记忆的形成除了要加强突触连接外，往往还需要突触数量的增加，同时伴随着基因的转录和翻译，即合成新的蛋白质。这种长期记忆的储存就像基因与突触之间的对话（dialogue between genes and synapses）。

<img data-rawheight="359" data-rawwidth="524" src="http://p1.zhimg.com/4f/79/4f79b0580a5ac5ca9460659f3c126e10_m.jpg" class="origin_image zh-lightbox-thumb" data-original="http://p1.zhimg.com/4f/79/4f79b0580a5ac5ca9460659f3c126e10_r.jpg"> 图2 神经元与突触 图2 神经元与突触

<img data-rawheight="540" data-rawwidth="704" src="http://p1.zhimg.com/8a/21/8a21d455b2506952c9ddbf421c43a41e_m.jpg" class="origin_image zh-lightbox-thumb" data-original="http://p1.zhimg.com/8a/21/8a21d455b2506952c9ddbf421c43a41e_r.jpg"> 图3 长期记忆、短期记忆与突触模型 图3 长期记忆、短期记忆与突触模型

结合题主的问题，读书涉及到的记忆问题大概如下：视觉系统感受文字信息-->部分信息转为短期记忆-->部分短期记忆很快消失，部分经过反复重演变为长期记忆。转变为长期记忆后也不保险，部分也会被忘掉，幸存下来的就成为在遇到“要求背诵”时能够提取出来的信息。

对于最轻松的读小说，普通100页的小说，如果完全认认真真逐字逐句读完，注意到里面的所有细节，大约需要2个小时左右（其他类型的书时间更长）。2个小时的时间，即使所有的文字信息都成功经过处理转变为短期记忆，也会在很短的时间内消失，余下的就是短期记忆转为长期记忆的部分。

但是我们能够完全认认真真逐字逐句读完一本书吗？

注意（Attention）我们平时常说，但在神经科学和心理学领域内，注意的定义为意识选择性地集中于某一方面而忽略其他方面。从视觉注意（Visual attention）的角度来说，阅读时不可避免地会注重某些章节，忽略某些细节，如图所示。<img data-rawheight="326" data-rawwidth="319" src="http://p1.zhimg.com/df/b7/dfb7c61194e0cf263b4e86adfeab8f60_m.jpg" class="content_image"> 图4 注意的焦点与边缘 图4 注意的焦点与边缘

而随着阅读量的越来越大，不可避免地阅读速度加快，会忽略更多的内容。如图，我们阅读时通常是跳跃式的。这就使得视觉的感觉记忆在向短期记忆转化的过程中有很大一部分损失。
<img data-rawheight="600" data-rawwidth="800" src="http://p1.zhimg.com/49/3e/493e4ec9a5329edd3f3fa88f8cb7b1cd_m.jpg" class="origin_image zh-lightbox-thumb" data-original="http://p1.zhimg.com/49/3e/493e4ec9a5329edd3f3fa88f8cb7b1cd_r.jpg"> 图5 阅读时的视线 图5 阅读时的视线

因此，读书后形成的记忆，是先排除了读书时未注意到的部分，再排除短期记忆中丢失的部分，剩下的短期记忆成功转为了长期记忆的部分。所依据的是Atkinson and Shiffrin于1968年提出的记忆经典模型（Atkinson-Shiffrin model），到今天仍然在广泛使用。
<img data-rawheight="283" data-rawwidth="774" src="http://p2.zhimg.com/59/19/59197c9b2d6e69d1a9ac9a65e06f4d9a_m.jpg" class="origin_image zh-lightbox-thumb" data-original="http://p2.zhimg.com/59/19/59197c9b2d6e69d1a9ac9a65e06f4d9a_r.jpg"> 图6 Atkinson-Shiffrin 记忆模型 图6 Atkinson-Shiffrin 记忆模型


PS：另一个记忆经典模型是Baddeley 于1974年提出、2000年修正的工作记忆模型（Baddeley's model of working memory），重新定义了短期记忆并命名为工作记忆（working memory），认为对信息进行主动切暂时加工和贮存的能量有限的记忆系统，包含语音环路、视觉空间处理和类似注意的中枢系统。按照此模型，读书时对于文字信息的记忆暂时存储在视觉空间处理系统中（visuo-spatial sketchpad）。工作记忆是目前分子神经生物学和脑功能学共同研究的热点，有兴趣的同学可继续找资料了解。
<img data-rawheight="232" data-rawwidth="419" src="http://p2.zhimg.com/19/a6/19a6063cb4feb7989133599e8b51b8e8_m.jpg" class="content_image"> 图7 Baddeley工作记忆模型 图7 Baddeley工作记忆模型

从Atkinson-Shiffrin 记忆模型中可以看到，什么是看书后记住的最好方式？答案是：反复看！从应试教育过来的我们能够充分理解。例如万恶的语文全文背诵中，朱自清的《春》应该是我们较早接触到的一篇，现在回忆一下，还有哪些句子记得？我最先想起来的是这句：“盼望着，盼望着，东风来了，春天的脚步近了”。大概不仅仅因为写得好的缘故，还因为这是文章的第一句话，每次背诵都是从它开始的，背的次数最多……
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楼上有的答案提到，为什么经常出现拼命想回忆什么事情但回忆不出来，过后又想起来的现象。如见到一个多年未见的老同学，名字就到嘴边了但死活吐不出来，当对方告知名字后恍然大悟：对对对，我记得的，怎么就是没说出来呢！这种现象在认知科学中叫做舌尖现象（Tip of the tongue）。类似上述例子的，考场上想不出来一句背过的古文或者一个用过的公式，考完了瞬间想起来；再比如有时想不起来把钥匙放哪儿了，过了一会儿突然又记起来等等，都属于舌尖现象的范畴。
<img data-rawheight="222" data-rawwidth="561" src="http://p3.zhimg.com/63/0c/630c52ee0c6347c58e705ddade3d4413_m.jpg" class="origin_image zh-lightbox-thumb" data-original="http://p3.zhimg.com/63/0c/630c52ee0c6347c58e705ddade3d4413_r.jpg"> 图8 舌尖现象配图：） 图8 舌尖现象配图：）

由于舌尖现象在日常生活中的发生只是一瞬间，很难在实验室内对其进行研究，因此目前对其所知仍然很有限。如前所述，记忆是信息编码、存储和检索的过程，目前公认舌尖现象是处于记忆检索中的一个阶段，其希望获得的记忆是经过神经系统编码并储存的长期记忆，而问题就发生在记忆检索阶段。学术界对其机制的解释分为两种流派，其一认为这段信息是一个整体，记忆强度不足以完全检索出需要的全部记忆，只能达到舌尖现象这个阶段，可能的原因包括：1）这段信息使用频率太低；2）这段信息最近没用过；3）年龄增长。另一个流派认为这段信息由不同线索组成，舌尖现象的发生是由于没有收集到全部的线索。

引起舌尖现象的因素有几个，其中年龄增长和认知疾病等很好理解。值得一提的是情绪和语言因素。情绪因素很常见，如很多临场发挥不好的同学，考试时候经常遇到想不起来文章、公式或者单词的情况，平时做题却顺畅得多。语言研究也发现能说两种语言的人比只会一种语言的人更易发生舌尖现象，可能由于两种语言的竞争性某些时候影响了直接获取所需信息的效率。

所以从读书角度上来说，读完后不能完全记住，是由于大部分信息没有成为长期记忆被储存，而成为长期记忆的信息也有可能因为记忆检索的问题暂时无法回忆，但终归是存在的。
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也许知乎里从事IT行业的比较多，这个问题下很多人以电脑来打比方给出解答。虽然电脑和人脑在某些方面很相似，且容易让人理解，但个人以为以电脑来解释人脑并不可取。从根本上说，电脑与人脑存在着本质的差异，有兴趣的同学可以阅读这个blog：10 Important Differences Between Brains and Computers
其中总结了10条人脑与电脑的不同之处：

1. Brains are analogue; computers are digital.
2. The brain uses content-addressable memory.
3. The brain is a massively parallel machine; computers are modular and serial.
4. Processing speed is not fixed in the brain; there is no system clock.
5. Short-term memory is not like RAM.
6. No hardware/software distinction can be made with respect to the brain or mind.
7. Synapses are far more complex than electrical logic gates.
8. Unlike computers, processing and memory are performed by the same components in the brain.
9. The brain is a self-organizing system.
10. Brains have bodies.

以第五条为例，我们的短期记忆与电脑RAM很像：快速交换数据，短期保存数据，但短期记忆的容量并非固定，这就比RAM多了无限的可能性。

很简单的事实是，在脑内神经元的神经递质、神经调质、树突和轴突之间拥有超过225,000,000,000,000,000个连接，而除了神经元外，脑内还有超过1万亿的胶质细胞是否参加且参加何种认知活动还没有研究清楚，可见脑的复杂性远超现在的任何电脑。而脑是非线性系统，因此很可能人脑与电脑是以完全不同的机制运行的。以电脑来解释人脑无疑是低估人脑了。