本文將從認知心理學的角度探討人類大腦如何形成時間感與空間感，包括人是如何在感知與記憶中建構對時間與空間的理解與組織。根據理論模型、實驗研究與相關心理學機制，並說明這些能力如何影響我們對世界的認知與行為。
認知地圖（cognitive map）假說認為，大腦會建構環境的統一空間表徵，供記憶與行動規劃使用。動物實驗發現，海馬體中存在「地點細胞」（place cells），在動物到達特定位置時放電；內嗅皮質中存在「網格細胞」（grid cells），在空間中呈正六邊形格狀分布放電。這些細胞一起編碼了環境中的距離、方向和邊界位置。近年人類神經影像研究指出，人類海馬體及內嗅皮質也支持類地圖（map-like）的空間編碼，而旁海馬迴和扣帶後皮質等腦區則將這些地圖與固定地標掛鉤。這種空間圖式使得人類能夠靈活導航：例如研究發現倫敦計程車司機長年練習熟記街道後，其右側後海馬體體積顯著增大，且與其建立 allocentric（外部參照）地圖的能力相關。總體而言，大腦透過海馬系統和相關聯的導航網絡，建立和維持多維的空間認知結構，支撐位置定位、路徑規劃等功能。
人類也會用類似空間的概念來表徵時間。心理時間線（mental timeline）是一種常見現象：人們往往將過去/未來概念化為空間上的線性方向（如將過去視為時間線左側、未來視為右側）。不同文化可能有差異，例如英文使用左右或前後方向，而中文習慣上以上下（或前後）區分時間。實驗中發現，呈現「過去」相關詞彙時，被試者傾向用左手快速反應；「未來」詞則用右手反應更快。除文化差異外，大腦的時間表徵也與發展有關：學齡前兒童可能先以自我為中心的雙向時間線表徵事件順序，隨後學會絕對時間概念。
此外，大腦中存在專門編碼時間的神經機制。例如海馬體內有稱為「時間細胞」（time cells）的神經元，會在經驗中不同時刻依序放電，類似地點細胞編碼空間一樣編碼時間。這些時間細胞不依賴動物的具體行為或空間移動，而是代表記憶中特定經歷的時間流逝。時間細胞與地點細胞並存於海馬體中，顯示海馬體同時對空間和時間資訊進行編碼，有助於將經驗元素組織成連貫的記憶。
對於時間感知，經典模型包括「起搏器–累加器」(pacemaker–accumulator)和「標量計時」(scalar timing)理論。該模型假設存在內部「時鐘」機制：起搏器以一定頻率發射脈衝，累加器記錄脈衝數量，代表經過的主觀時間；參照記憶中存有的脈衝值，可用來判斷當前時間長度。此模型解釋了許多時間感知行為，但也遭質疑缺乏神經機制基礎。基於此，後續提出了「紋狀體節奏頻率模型」(Striatal Beat Frequency)等，將內部鐘與紋狀體和多巴胺神經迴路相連結。另一類模型是「注意資源模型」(attentional-gate model)：當個體注意力集中在時間上時，更多脈衝通過注意閘門累入累加器；若注意力分散到其他事物，時間的主觀長度則會縮短。實驗發現，若要求被試預先關注時間，時間估計較長；若被試在記憶後回憶時間，則由於注意力分散，通常會低估時長。
事件時間理論（Event-based theory）強調經驗中的事件與變化在時間感知中的核心作用。早在 1890 年，詹姆斯就指出，經歷的事件越多，人們回顧過去時會感覺更長。現代研究亦發現，時間的主觀長度常與感知到的變化數量或事件數量相關聯：在相同客觀時段中，若內容變化頻繁，人們事後估計的時間往往更長。換句話說，事件劃分理論（Event Segmentation Theory）認為，大腦會將連續的經歷切分成有定義開始與結束的事件單位，而這些事件單位構成了時間感知的基本顆粒。
外界感知條件、注意力分配與記憶內容都會扭曲時間或空間的主觀經驗。例如，在時間感知方面，動態刺激或高亮度刺激容易被高估長度；顏色、大小、距離等視覺屬性也會改變持續時間的判斷。此外，情緒狀態強烈影響時間感知 ── 實驗發現「當我們愉快時，時間似乎飛逝；感到無聊或痛苦時，時間似乎變得拖延」。這可以用注意力模型解釋：愉快事件減少了對時間的注意力投入，使主觀時間加快；高喚醒負面事件則加速內部時鐘，讓時間顯得漫長。關於記憶，回溯式的時間估計往往取決於記憶中事件的多寡和細節豐富度 ── 記憶裡儲存的事件越多，回想時那段時間的感覺就越長。在空間知覺方面，注意力與情境也有作用：若注意到遠處地標或運用多感官線索（如視覺與本體感覺），導航判斷通常更精確；若分心或訊號稀疏，則容易產生迷路或誤判距離。
實驗心理學中研究時間知覺常使用各類任務：如時間辨別(判斷兩段時間長短)、時間生產或再生(受試者產生一段預定長度的時間)、時間估計(回憶過去一段經歷耗時)等。此外，有預期式與回溯式兩種不同的時間估計范式，以探討注意力與記憶的角色。實驗中亦使用 ERP 和功能性核磁共振(fMRI)等腦成像技術，揭露與時間處理相關的腦區，如前扣帶皮質、紋狀體和丘腦等。對於空間知覺與導航，常見的研究方法包括：虛擬實境(VR)導航任務、迷宮解迷試驗、心理旋轉及視角轉換測試等。在這些實驗中，被試需記憶路徑或判斷物體方位，配合腦成像可以觀察海馬體、旁海馬迴、頂葉等區域的活動。現代研究甚至讓人佩戴生命記錄裝置，記錄他們日常行走路徑，然後在實驗室中回憶這些路徑：發現人類左前海馬體的活動模式反映了回憶事件的時間與空間接近性。這些實驗方法綜合行為與神經資料，深化了我們對時空知覺形成機制的理解。
日常生活中，時間和空間感知關聯著各種行為和認知。導航與空間記憶：人在規劃路線時依賴心智地圖，學習新環境或複雜路網時，海馬體的參與至關重要；如前述研究顯示，專業的計程車司機掌握大量地圖資訊，海馬體結構產生可測量的變化。情節記憶：日常經驗形成的事件記憶同時包含何時何地發生，海馬體將時間細節與空間背景結合，使我們能以時空為線索回憶往事。語言與時間隱喻：語言中大量使用空間隱喻描述時間，例如中文中以「前」表示過去、「後」表示未來，英文則以「ahead (之前)」與「behind (之後)」等表達時間先後。這反映了人類傾向用熟悉的空間概念來理解抽象的時間概念。不同文化中，時間比喻也會隨著習慣而異，但普遍可見的現象是：時間的認知與空間認知在認知系統中密切交織。總的來說，大腦透過上述各種神經編碼與心理表徵，不斷整合時空信息，支持我們在日常生活中對時間和空間的準確感知和運用。
本文根據認知心理學與神經科學實證研究整理而成，引用了包括前沿期刊論文在內的多項研究成果：