作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2014/10/13 9:13:42
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挪威的“大脑”
解析诺奖得主夫妇的大脑探索之路

 

并不是所有夫妻都能够如此和谐地一同工作。一般他们只有一人去参加会议,另一人留在实验室。

事实上,Edvard和May-Britt Moser夫妇已经合作了30年(结婚28年),这期间,没有什么能让他们对大脑的热情减退。早餐、实验室晨会、晚餐,他们都在反复探讨这个话题。“就算只是要走到那里,我们也必须知道自己在哪儿,我们想去哪儿,什么时候回来和什么时候停下。”May-Britt说。

如果有人知道人们是如何导航回家的,那非Moser夫妇莫属。2005年,他们因发现老鼠大脑深处的网格细胞而一举成名。这些“迷人”的细胞也存在于人类大脑中,功能模式类似全球定位系统,能帮助动物知道自己的方位。Moser夫妇曾研究了网格细胞如何与其他专门的神经细胞相互作用,从而形成完整的导航体系,告诉动物要去哪里和已经处在哪里。网格细胞研究将能帮助解释记忆是如何形成的,以及为何回想往事经常涉及重新构想一个地方。

在研究中,这两位科学家已经成为一个“奇迹”。他们的实验室位于挪威特隆赫姆,距离北极圈只有350公里。他们一起发表论文、一起获奖。10月6日,瑞典卡罗琳医学院在斯德哥尔摩宣布,将2014年诺贝尔生理学或医学奖授予Moser夫妇和他们的前任导师、英国伦敦大学神经学家John O’Keefe,以表彰他们发现大脑定位系统细胞的研究。2007年,他们建造和管理了美国卡夫利基金会17个研究所中的一个。现在,Moser夫妇在自己的祖国已小有名气,他们的研究所也开始吸引其他神经科学“大咖”前来。

“在他们周围绝对有智慧激励。”以色列魏兹曼科学院神经生物学家Nachum Ulanovsky说。9月,Ulanovsky初次访问了Moser的研究所。Moser夫妇的研究还涉及21世纪最具挑战性的研究前沿之一:大脑如何进行计算。

正如计算机使用Java等程序语言一样,大脑似乎也有自己的操作语言,一组隐藏在神经元中令人眼花缭乱的代码。这些代码让大脑可以利用一种其能明白和计算的语言描绘外部世界的特征。“May-Britt和Edvard的研究处于认知神经学的核心。他们正试着理解认知的神经代码,这能将生物学、计算机科学,甚至哲学联系在一起。”法兰西学院意识研究专家Stanislas Dehaene说。

初生牛犊

Moser夫妇出生在挪威不同的岛屿上,那里夏天似乎永远是白昼,而漫长的冬季夜晚也会被跳动的极光所照亮。他们都不是出身学术家庭,而且上了同一所学校。但直到1983年,他们才彼此认识。当时他们就读于奥斯陆大学,都在考虑研究什么,并且都开始意识到自己对神经科学和大脑的真正热情。

忽然之间,一切都被点燃:爱情、求知欲和研究生涯开始。Moser夫妇拜访了该校著名的电生理学家Per Andersen,希望能跟他作毕业设计。当时,Andersen正在研究海马神经细胞活性,而这两个学生想尝试将这些精确的细胞活动与动物行为联系在一起。

与当时大部分神经学家一样,Andersen对这样一个飞跃持怀疑态度。但是,这对夫妇没有离开他的办公室,直到Andersen作出让步,并答应为他们提供一个看似简单的项目:老鼠最多切掉多少海马依然能记得新环境?

这两个年轻科学家接受了挑战,并很快发现了有意义的东西。直到那时,人们一直在假设,海马是同质的。但Moser夫妇发现,海马的一边对空间记忆更重要。这使他们认识到详细大脑解剖对理解大脑功能的重要性,这一课为他们之后的职业生涯提供了宝贵经验。

1984年,这对夫妇在乞力马扎罗山顶订婚。他们决定之后的生活是:生孩子、申请国外博士后,然后拥有自己的实验室。这些计划的完成比他们预想的更快,甚至在博士毕业前,他们一起接受了O’Keefe实验室的博士后职位。

上世纪70年代,O’Keefe就发现,老鼠海马中存在名为定位细胞的神经细胞。只有动物在特殊位置时,这些细胞才能被激活。这一研究领域十分热门,而Moser夫妇希望能扩展它。

之后,他们回到挪威。特隆赫姆实验室的建立并不容易。他们从一间地下室白手起家。但仅几年后,他们从欧盟委员会和挪威研究理事会获得巨额奖金。一切开始变好。

发现网格细胞

这对夫妇在特隆赫姆的第一个目标是更好地描述定位细胞信号的来源。尽管这些细胞位于海马体中,但也可能有其他地方的细胞引导定位细胞激发。回忆起本科时的经历,他们意识到需要理解大脑的解剖,以便了解信号流如何通过。

在实验室里,他们采用了研究定位细胞的标准实验技术,直接给老鼠海马体植入电极,并让老鼠在大盒子里自由跑动,同时记录电活性。这些电极非常灵敏,足以捕捉单个神经元的活性,它们得到的数据可以在电脑里进行分析。为了确保老鼠的跑动覆盖整个区域,研究人员在其中洒满了巧克力(May-Britt是个巧克力爱好者)。

Moser夫妇通过化学方法令老鼠海马及其附近的各区域失活,然后测试定位细胞是否能正常激发。他们由此发现了从内嗅皮层流向定位细胞的信息。在此之前没人注意过内嗅皮层,主要是因为这个结构极难触及,刺穿很容易造成动物死亡。Moser夫妇咨询了神经解剖学专家,找到了插入电极的理想位置,并开始重复自己的实验,研究内嗅皮层的神经元。

研究人员发现,当老鼠移动到盒子特定位点的时候,内嗅皮层的一些神经元被激发。这一点与海马体的定位细胞相同,不同的是这些神经元在其他位点也能激发。Moser夫妇注意到,这些位点形成了某种模式,但他们不知道具体是什么。

当扩大盒子后,上述模式更清晰地显现出来:像蜂巢一般近乎完美的六边形网格。最初,他们难以相信。这样的简单性和规律性令他们不敢预期。在排除了一切其他可能之后,Moser夫妇开始逐渐解读这部分大脑的作用机制。研究显示,这种形状绝对是老鼠脑部建立的,当它们经过六边形上的点时,相应神经元就激发。这种空间表现形式正是人们长期探寻的大脑语言之一。

隐含模式

很快Moser夫妇开始对网格细胞进行各种测试。他们发现,这些细胞的激发模式在黑暗中依然稳定,而且不依赖于动物的速度或方向。而且,环境改变会影响定位细胞的激发率,但网格细胞却不受影响。他们还发现,内嗅皮层的不同细胞能生成多种不同类型的网格,这些网格交叠起来就像马蜂窝一样。而且网格细胞在大脑中的排列符合精确的数学规则。

Moser夫妇的研究将大脑、记忆和位置关联起来。古希腊时期的哲学家曾通过空间帮助自己记忆大段的演讲稿,他们在脑海中选取一个建筑或街道的布局,将演讲稿的不同部分放在这些地标上。他们在长篇大论的同时回忆上述场景,每一个地标就能激活相应的演讲稿片段。

网格细胞的发现也震惊了理论学家,因为对于有限数量的网格细胞来说,六边形是达到最高空间分辨力的最优模式。这种模型节约能量,并显示了大脑能如何有效地运作。

并不是所有夫妻都能够如此和谐地一同工作。在工作上,Moser夫妇有明确的分工。Edvard主要负责计算机和理论方面,而May-Britt着重管理实验室和进行实验。“我们有不同的强项,结合起来就能得到更好的结果。”Edvard说。一般他们只有一人去参加会议,另一人留在实验室。“所以说我们也并不是整天形影不离。”Edvard说。

目前,网格细胞还有许多值得研究的地方。科学家还不清楚内嗅皮层的神经网络是如何生成网格的,也不了解网格细胞、位置细胞和其他定位细胞是相互协作为动物导航的。现在,Moser夫妇正走在探索这些问题的路上。(张章)

《中国科学报》 (2014-10-13 第3版 国际)
 
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