这才时好夫妻 诺贝尔奖得主夫妇另一面

2014年10月6日,英国科学家约翰·奥基夫和挪威科学家爱德华·莫瑟尔、梅·布莱特·莫瑟尔夫妇获得本年度诺贝尔生理学或医学奖。莫瑟尔夫妇已经共事超过30年,结婚超过28年的事实并没有让他们对大脑科学的研究兴趣有丝毫减弱,夫妻两人合作无间,仿佛一个大脑分别长在了两个不同躯体之内。

这才时好夫妻 诺贝尔奖得主夫妇另一面

瑞典卡罗琳医学院当地时间2014年6日宣布,英国科学家约翰·奥基夫(John O'Keefe)和挪威科学家爱德华·莫瑟尔(Edvard I. Moser)、梅·布莱特·莫瑟尔(May-Britt Moser)夫妇因发现大脑中负责定位系统的细胞,获颁本年度诺贝尔生理学或医学奖。

莫瑟尔夫妇(Edvard 和May-Britt Moser)已经共事超过30年,结婚超过28年的事实并没有让他们对大脑科学的研究兴趣有丝毫减弱。他们会在早餐时间讨论这个话题,他们也会在清晨的实验室会议中进行更加细致的探讨。夏天夜晚,在附近的小餐馆吃饭时,夫妻俩仍然在思考这个问题-我们的大脑究竟如何能够指引我们回家?May-Britt说:「要想走回家,首先我们必须知道自身此刻的位置,我们要去往哪里,何时拐弯,何时停下。真是难以置信,我们竟然不会迷路!」

如果说谁最了解回家的路,那么一定就非莫瑟尔夫妇莫属了。他们两人在2005年因为发现了小鼠大脑内的「网格细胞」而在学术界声名鹊起。这种奇特的神经细胞同样存在于人类的大脑内,它们的工作有点像是我们内置的全球定位系统,让动物得以了解自身的位置。在那之后,莫瑟尔夫妇一直在这个问题上继续前进,研究这些网格细胞如何与其他特定的神经细胞之间发生相互作用,这些细胞一起,构成了生物体完整的导航定位体系。对这些网格细胞的研究或将帮助了解记忆的形成机制,并解释为何当我们回想起过去的某些事件时,往往会伴随着事件发生时的场景,如某个房间,街道,或是景物。

在追求科学的道路上,这两人已经成为科学界的一种「现象」。夫妻两人合作无间,相貌亲切,仿佛一个大脑分别长在了两个不同躯体之内。他们在位于挪威特罗姆瑟资金充裕的实验室内开展工作-这里是欧洲的遥远角落,距离北极圈只有大约350公里。他们共同发表文章,一起获得奖项-他们是一个整体。当然他们最近获得的奖项就是刚刚颁发的诺贝尔生理学与医学奖了。他们与曾经在伦敦大学学院(UCL)的导师,神经科学家约翰?奥基夫共同获得了这一殊荣。2007年,在他们仅40多岁的年纪时,莫瑟尔夫妇获得卡维里基金会的资助建立一个卡维里研究院,而全球一共只有17个这样的研究院。现在莫瑟尔夫妇已然是挪威的小小名人,而他们的实验室也已经成为一块磁石,吸引全世界神经科学领域的顶尖学者前往。以色列魏茨曼科学研究所的神经科学家纳楚姆·乌拉诺夫斯基(Nachum Ulanovsky)表示:「他们的周围全都是极有学识之士。」乌拉诺夫斯基刚刚在今年9月份造访了莫瑟尔夫妇在特罗姆瑟的实验室。

莫瑟尔夫妇的工作将他们引向了21世纪最具挑战性的课题之一:大脑是如何工作的?就像计算机利用程序语言进行运作,比如说Java,大脑似乎也有自己的运行语言-它们就隐藏在神经细胞激活的频率与持续时间,以及大脑回路中周期性涨落的神经电信号模式之中。这些信号让大脑得以反映外部世界,如声音,光纤,气味以及自身在空间中的位置-当然是以一种它能够理解并进行运算的语言。有了网格细胞的发现,莫瑟尔夫妇首先闯入了这一大脑科学未知的领域,而现在,这一领域面临的挑战将是继续前行。

斯坦尼斯拉斯·地哈尼(Stanislas Dehaene)是巴黎法兰西学院的神经科学家,他说:「莫瑟尔夫妇的研究直指认知神经科学领域的核心,他们正尝试理解认知现象背后的神经密码,从而将计算机科学与生物学,甚至哲学统一起来。」

相遇相知

莫瑟尔夫妇分别在挪威的两座不同的北极岛屿上长大,在那里夏季似乎是永恒的,而在漫长的冬季,唯一照亮地面的似乎就只剩下天空中的北极光。他们两人都出身于非学术家庭,然后两人都去了同一所学校。但两人直到1983年都互相并不认识,尽管两人都在奥斯陆大学求学。两人都在迷惑,究竟自己要研究什么课题,而与此同时两人又都开始意识到自己的真正激情在于对神经科学以及大脑科学方面的研究上。

然后突然之间,迸出火花。带着年轻人之间的罗曼蒂克故事,还有在学术上的好奇心,他们开始了一项使命-找出大脑控制行为的背后机制。两人前去拜访了该校具有显赫声望的电生理学家皮尔·安德森(Per Andersen)并请求跟随他做本科毕业课题。当时安德森正在开展对大脑海马体区域神经细胞活动的研究-这是大脑中一个与记忆有关的区域。此刻,两位年轻的学生决心将细胞的精确活动机制与动物行为联系起来。安德森与当时大多数的神经科学家一样,对像这样直接跨越如此巨大的一步心存疑虑。但是这两位年轻人非常坚持,他不答应他们就不肯离开他的办公室。于是他最后只能妥协,并未他们指定了一个听上去相当简单的课题:在保持小鼠对环境信息记忆能力的情况下,你最多可以切除小鼠大脑海马体的多大一部分?

于是两位年轻人接受了这项挑战,并很快有了重大的发现。在当时,科学家们普遍认为海马体是均一的。但莫瑟尔夫妇发现海马体的一侧在空间记忆方面要比另一侧重要得多。这一经历让他们意识到详细大脑解剖工作的重要性,这一点后来在他们的职业生涯中被证明是无比宝贵的一课。

1984年,当时还是本科学生的两人登上了非洲坦桑尼亚境内的乞力马扎罗山山顶,并在这里交换了订婚戒指。但因为山顶的温度实在太冷,他们两人不得不用最快的速度完成戒指交换,然后赶紧戴上手套。此时的两人已经设想好了他们未来共同生活的样子:先生孩子,然后去国外做博士后研究,最后在世界的某一个地方建立自己的实验室。这一计划实现了-并且实现的速度要比他们原先的设想更快。甚至还在博士答辩完成之前,他们两人便双双收到了位于伦敦,约翰·奥基夫教授的实验室发来的博士后研究职位邀请。

1970年代,奥基夫教授在小鼠大脑的海马体区域发现了一种被称作「位置细胞」的特殊神经细胞。这些细胞只有当小鼠抵达某一特定位置时才会被激活,比如靠近一个轮子,或是在门前的位置。在那之后,人们又陆续发现了其他与导航相关的神经细胞,比如有些神经细胞在小鼠的头部转向某一特定方向时会激活,有些则是当视野中见到边界(比如笼子或房间的边界)时会激活。这一研究领域非常热门,而莫瑟尔夫妇一头扎了进去。

1996年,莫瑟尔夫妇意外的收到位于特罗姆瑟的挪威科技大学的助理教授职位邀请。对于这项邀请两人显得犹豫不决:如果接受,那么就将意味着前往一个远离世界学术研究中心的偏远之地一个名不见经传的小型大学单打独斗。但是这个学校愿意给他们两人两个职位,这就意味着他们可以在一个地方一同工作,并且研究领域也是对口的,这对他们吸引力很大。于是他们最终决定接受邀请,回到了挪威,此时一同回国的还有他们的两个小宝宝-一个蹒跚学步,另一个还是婴儿。

在特罗姆瑟安顿下来并不是一件容易的事。他们必须白手起家,在一间地下室里建立起自己的实验室,另外还要建立一个实验动物设施。但在短短几年之内,他们便得到了欧盟研究委员会的一笔巨额资助。事情变得顺利多了。

网格细胞

莫瑟尔夫妇在特罗姆瑟的第一个任务是改进对位置细胞信号来源的描述。尽管这些细胞本身位于海马体,但也有可能是位于其他位置的细胞对它们发出指令,控制它们何时激活。还记得他们本科时代在实验室中学到的经验吗?此时它开始发挥作用了-莫瑟尔夫妇知道,他们必须从解剖学入手,探查信号是如何在此间进行传递的。

在实验室中,他们两人采用标准化的实验手段研究位置细胞:将电极直接植入小鼠的海马体并记录当它在一个大盒子内自由奔跑时产生的大脑信号。这些植入的电极灵敏度极高,可以记录下单个神经细胞发出的信号,这些信号会被送入计算机并匹配这些神经细胞被激发时小鼠在盒子中所处的位置。这些点的位置在屏幕上以黑点的形式呈现。为了确保小鼠的活动区域涵盖了整个盒子区域,夫妇俩还特地在盒子底部均匀的撒上一些巧克力碎块-要知道,不管在实验室里还是在实验室外,莫瑟尔夫人都是一位热心的巧克力爱好者。

莫瑟尔夫妇采用化学方法人为地让小鼠海马体的部分区域失效,并观察在这样的情况下位置细胞是否还照样会发挥作用。通过这种方法,他们注意到信息流是从临近的内嗅皮层传导而来的,这是小鼠大脑后下方一处垂直方向上的微小组织。此前没有人对这一不起眼的组织投入过多的关注,部分原因是因为这一组织非常难于接触。其一侧非常接近一根大的血管,在这里进行操作将可能引起致命后果。在向一位大脑解剖学专家请教之后,莫瑟尔夫妇得出结论,植入电极的最佳位置应该是避开血管,而置于接近大脑皮层的地方。然后他们开始不断重复这一实验,记录来自内嗅皮层单个神经细胞的信号。也就是在这一时刻,他们有了突破性的发现。

莫瑟尔夫妇注意到,内嗅皮层区域的神经细胞会在小鼠通过某一特定点的时候发生激活,这一点和海马体区域的位置细胞很像。但它们在其他几个区域也同样会发生激活。当盒子里的小鼠正忙着到处在盒子底部找巧克力碎块吃的时候,莫瑟尔夫妇在一旁专注的观察它们的行为,而计算机则不断记录着小鼠的大脑神经细胞信号并在位置图上进行绘制。莫瑟尔夫妇注意到这些位置点似乎构成了某种模式,但此时他们还无法搞清楚这究竟意味着什么。

几个月的时间过去了,莫瑟尔夫妇突然意识到,他们应该找一个更大的盒子来让小鼠在其中奔跑,这样就能获得更大尺度上的位置图形,也就或许那样就能更好的进行判读。这样做了之后,一个图形模式渐渐清晰起来-那是一个呈六边形的网格形状,就像一个蜂巢。起先他们不敢相信这样的结果。这样简单而规则的图形是他们无论如何也无法相信会出现的结果-一般而言,在生物学实验中得到的结果会比这杂乱的多。但一个接一个,莫瑟尔夫妇逐一排除了所有的可能性,比如是否有可能这样的图案是他们的电极设备问题导致的?

那么既然这是事实,那它究竟意味着什么?在盒子里并没有六边形状存在,这一形状是在小鼠的大脑内抽象地形成并叠加于环境背景之上的,当小鼠经过这一抽象六边形上的某一点时,某一对应的神经细胞就会被激活。这是一项重大的发现-这是空间的大脑语言,大脑正是依靠这种语言来刻画周围的空间环境的,这也正是人们长期以来苦苦寻求的问题的答案!2005年,莫瑟尔研究组正式发表了他们的研究结果。

隐藏的模式

不久之后,莫瑟尔小组开始对这些d网格细胞进行测试。他们发现即便在黑暗之中,这些细胞激活的模式图形仍然是稳定的,并且与动物的运动速度与方向无关。当生物体所处环境发生轻微改变-比如变换盒子的颜色时,小鼠大脑内的位置细胞激活会随之发生轻微改变,但网格细胞的激活仍然保持稳定。莫瑟尔夫妇还发现内嗅皮层区域的不同细胞会产生很多不同的图形模式,就像相互重合的蜂巢-大的,小的,与盒子的边界之间呈现各种不同的角度与位置关系。最终,他们意识到大脑中的这些网格细胞遵循着一个严格的数学公式。

那些产生较小图形以及较窄空间间隔的细胞都位于内嗅皮层的顶部,而那些产生较大网格的细胞则位于底部的位置。但还有比这更加精确的对应关系:那些产生相同大小与方位图形的细胞似乎都聚集在一起,形成一个独立单元。这些单元似乎形成沿着内嗅皮层上下方向分布的顺序,并且所有这些单元,从小到大,每隔一个,其产生图形的大小都扩大1.4倍,这是一个常数。另外,那些对应相对盒子边界不同位置的网格细胞则是无规则地散布在整个结构之中。假设相似的结构存在于人类的大脑之中,那么这就意味着这些细胞会在你毫无意识的情况下自动记录我们所处的位置,当我们在房间之间来回穿行,在街道上随意走动的时候确保我们不会迷路。

全部都在头脑之中

这些发现让莫瑟尔夫妇一头闯进了至少从古希腊时代以来科学家们和哲学家们一直在思考的领域,那就是大脑,记忆与位置环境之间的关系。在那时候,一位计划进行长篇演说的哲学家为了记住自己的讲稿,会将自己演讲的不同段落与现场不同的建筑背景或场景结合在一起。这样一来他便能随着自己思维地图的指引,几乎非常流畅的完成抑扬顿挫的长篇演说,每一处不同的地标都会激活演讲人大脑中的一个特定区域,提示他接下来所要讲的话。对于记忆与位置环境之间关系的研究热情一直延续到了20世纪,当时的行为科学家们首次提出,动物的大脑中可能存在知觉地图,其中存储了有关周围空间的信息。而网格细胞的发现最终证实了这一观点。

这项发现同时也让理论学家们大吃一惊,因为六边形是借助最小网格数量达成最高空间分辨率的最优化图形方案。这一方案最节约能量,它展示了大脑运作设计的精妙与高效率。德国慕尼黑大学计算神经学家安德亚斯·赫兹(Andreas Herz)表示:「谁会相信这样一个优雅的六边形图案会存在于我们的大脑深处呢?真是难以置信,大脑竟然使用着同一个我们在数学中已经使用了数百年的简单几何图形。」这种令人震惊的简洁给人以希望,那就是整个大脑的运作机制或许是遵循着某些数学计算原则,因而最终是可以被人们所理解的。

当然,要达成那样的理解还有很长的路要走。大脑用来描述这个世界其他方面的语言或许不太可能跟这次的情况一样简单,也或许某个神经细胞实际上承担着对世界不同角度的描述功能,这种叠加会让解译工作变得异常艰难。莫瑟尔夫妇发现的网格细胞具有重要的意义,因为它们在整个大脑网络流程中居于较高的地位—它们并没有直接的感觉信息输入。视觉皮层的密码方式会由于照射到视网膜上光线明暗的差异而出现不同,而与之相反,内嗅皮层则是依据它从大脑其他区域接收到的环境信息,完全独立地产生了六边形的图形模式。

随着他们的实验室发表一篇又一篇高质量论文,莫瑟尔夫妇的实验室也吸引了更多的学者和更多的资金。神经科学家大卫·罗兰德(David Rowland)在2005年第一次读到有关网格细胞的论文时还在奥斯陆大学攻读博士学位,他回忆道:「我觉得它简直酷极了,我当时就决定我的第一个博士后职位想在莫瑟尔小组的实验室里度过。」最后他如愿以偿。后来他加入了莫瑟尔研究组以及他们创建的特隆赫姆卡维里研究院。现在这里非常繁忙,有6个研究组在这里开展研究,每一个研究组的课题都针对神经回路与神经密码的不同方面。

前路漫漫

并非每一对夫妇都能做到像莫瑟尔夫妇那么舒适和谐地共同工作。莫瑟尔夫妇将此归结为他们两人随和的脾气和共同的兴趣—不仅是科学,还有其他方面也是一样。他们两人都喜爱户外运动:莫瑟尔夫人三天两头会在他们位于海边的房子附近起伏的山地跑步,而莫瑟尔先生则会在周末出去徒步行走。他们两人都对火山充满热情,这也是为什么他们两人会在一座休眠火山的山顶订婚的原因。他们已经一同攀登了世界各地的许多座高山。

当进行工作时,他们逐渐形成了某种分工合作的方式。丈夫更多的进行计算与理论工作,而妻子则负责实验室的管理以及人员管理,并承担更多的实验工作任务。莫瑟尔先生表示:「我们有着不同的长处,每次我们将各自的长处相结合,我们都能做出更好的结果。」他们还约定,每次去参加会议时都只去一个人,这样就能有另一个人留在实验室继续工作。莫瑟尔先生说:「因此我们两个并不是每天都在一起,就像很多外人想象的那样。」

不过即便有了这样巨大的突破,但莫瑟尔夫妇的实验室,以及全球各地许多致力于网格细胞研究的实验室,都还有很多东西要继续探索。科学家们目前还无法弄清内嗅皮层内的神经细胞究竟是如何产生这种网格结构的,也不知道大脑内的位置细胞,网格细胞以及其他类型的导航细胞所产生的信息究竟是如何被组织起来,从而帮助动物成功地从一个地点抵达另一个地点的。要想解开这些谜团需要更多的数据,而目前莫瑟尔实验室正在进行着多个实验,采集所需要的数据。

下一步,科学家们还需要弄清楚,这些网格细胞是如何与动物的整体神经网络发生链接的,以及这种链接是在何时形成的。早期研究显示这些网格细胞大约在生物出生之后3~4周内便完全形成了。这就意味着新生的幼年动物—包括人类或是老鼠,在它们出生时都已经具有了非常原始的有关自己所处位置的知觉,随着它们的大脑逐渐适应这个世界,这种原始的空间知觉也随之开始发展成熟。莫瑟尔研究组还计划进行一项测试,即,如果让一只小鼠在一个完全圆形,完全没有任何棱角的环境中出生并长大,这样长大的小鼠的网格细胞呈现的内在六边形图形模式是否会出现变化?

在神经密码的抽象领域之外,网格细胞也同样有着重要的意义—那就是理解记忆以及记忆的丧失现象。内嗅皮层是阿尔茨海默综合征患者的大脑内首先发生损害的部位之一,而这种病症最初的症状也正是记忆丧失与迷路。莫瑟尔研究组认为内嗅皮层区域的细胞可能具有某些特殊的性质,因而较为容易在该病的早期受到损害—有关这个问题的答案,或许还需要世界其他地方的科学家们继续开展进一步的研究。

与此同时,莫瑟尔夫妇仍在继续探讨着有关大脑究竟如何指引他们回家的话题。而在他们的身影之外,任何一个到过特隆赫姆机场的人都能感受到莫瑟尔夫妇的存在—这里贴着13名最知名挪威人的画像,其中绝大多数都是运动员或艺术家,莫瑟尔夫妇是其中唯一的两张科学家面孔。

本文来源于新浪科技

原文标题:诺贝尔奖得主夫妇另一面:不同躯体的一个大脑

文:晨风

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