師徒三人攻克“大腦定位系統(tǒng)細(xì)胞”
——2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)側(cè)記

文/譯 石 毅

師徒三人攻克“大腦定位系統(tǒng)細(xì)胞”
——2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)側(cè)記

文/譯 石 毅

2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)被授予約翰·奧基夫（John O Keefe）、邁-布里特·莫澤（May-Britt Moser）和愛(ài)德華·莫澤（Edvard Moser）三人。他們發(fā)現(xiàn)了大腦里的“定位系統(tǒng)”，即“GPS”系統(tǒng)。

我們是怎么知道我們身在何方的？我們?cè)趺凑业綇囊粋€(gè)地方到另一個(gè)地方的路線？我們是怎么把這些信息儲(chǔ)存下來(lái)，讓我們重返故地的時(shí)候能立刻找到路？

2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的得獎(jiǎng)?wù)甙l(fā)現(xiàn)了大腦里的“定位系統(tǒng)”，一臺(tái)內(nèi)置的GPS，使得我們能在空間中定位自己身在何處，這表明這種高級(jí)認(rèn)知功能也有細(xì)胞級(jí)別的基礎(chǔ)。

1971年，約翰·奧基夫發(fā)現(xiàn)了這個(gè)定位系統(tǒng)的第一個(gè)成分。他發(fā)現(xiàn)，大腦海馬體里有一種神經(jīng)細(xì)胞，每當(dāng)大鼠身處屋子的某個(gè)特定地點(diǎn)的時(shí)候，這種細(xì)胞總是會(huì)被激活。其他神經(jīng)細(xì)胞則在大鼠身處其他地方的時(shí)候被激活。奧基夫的結(jié)論是，這些“位置細(xì)胞”（place cells）組成了屋子的地圖。

30多年后，邁-布里特·莫澤和愛(ài)德華·莫澤發(fā)現(xiàn)了大腦定位系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵成分。他們發(fā)現(xiàn)了另一種神經(jīng)細(xì)胞，命名為“網(wǎng)格細(xì)胞”（grid cells），它們組成了一個(gè)坐標(biāo)系，允許生物進(jìn)行精確的定位和尋路。他們的后續(xù)研究表明，地點(diǎn)細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞一起使得定位和導(dǎo)航成為可能。

約翰·奧基夫，邁-布里特·莫澤和愛(ài)德華·莫澤的研究回答了困擾哲學(xué)家和科學(xué)家數(shù)百年的問(wèn)題——大腦如何給周?chē)目臻g創(chuàng)造地圖，我們?nèi)绾卧趶?fù)雜的環(huán)境中尋找路線。

我們?nèi)绾胃兄覀兯诘沫h(huán)境？

人存于世，位置感和導(dǎo)航能力是不可或缺的。位置感使我們能夠感知自己在環(huán)境中所處的位置。在導(dǎo)航時(shí)，我們的位置感會(huì)與基于運(yùn)動(dòng)和對(duì)先前位置認(rèn)知所形成的距離感相互聯(lián)系起來(lái)。

關(guān)于地點(diǎn)和導(dǎo)航的問(wèn)題困擾了哲學(xué)家和科學(xué)家許久許久。200多年前，德國(guó)哲學(xué)家康德認(rèn)為一些精神能力是獨(dú)立于經(jīng)驗(yàn)的先天知識(shí)。他認(rèn)為空間概念是意識(shí)中既有的原則，人們會(huì)通過(guò)，也必須通過(guò)這些原則感知世界。

到20世紀(jì)中葉，行為科學(xué)的出現(xiàn)使得這些問(wèn)題得以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行解答。當(dāng)愛(ài)德華·托爾曼（Edward Tolman）觀察迷宮中大鼠的運(yùn)動(dòng)時(shí)，他發(fā)現(xiàn)它們能夠?qū)W習(xí)如何導(dǎo)航，并提出它們腦中形成了一副“認(rèn)知地圖”，使它們找到自己要去的路。但問(wèn)題并未完全解決：這個(gè)“地圖”在大腦中的表征是什么？

約翰·奧基夫以及空間位置

在20世紀(jì)60年代晚期，約翰·奧基夫?qū)τ诖竽X如何控制行為和決策這一問(wèn)題十分著迷，并常試圖用神經(jīng)生理學(xué)的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。當(dāng)他記錄在屋內(nèi)自由跑動(dòng)的大鼠的大腦海馬體內(nèi)單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的信號(hào)時(shí)，奧基夫發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大鼠經(jīng)過(guò)特定位置時(shí)，某些神經(jīng)細(xì)胞會(huì)被激活。他發(fā)現(xiàn)這些“位置細(xì)胞”不僅僅接受視覺(jué)信號(hào)輸入，而且還會(huì)在腦中繪制周?chē)h(huán)境的地圖。奧基夫總結(jié)道，通過(guò)在不同環(huán)境中被激活的不同的位置細(xì)胞，海馬體能生成很多地圖。因此，關(guān)于環(huán)境的記憶能以位置細(xì)胞活性的特定組合形式被存在海馬體中。

邁-布里特·莫澤和愛(ài)德華·莫澤找到了定位系統(tǒng)

邁-布里特·莫澤和愛(ài)德華·莫澤在繪制移動(dòng)中的大鼠的海馬體連接時(shí)，在附近的內(nèi)嗅皮層中發(fā)現(xiàn)了一種讓人驚異的活動(dòng)模式。當(dāng)小鼠通過(guò)六角網(wǎng)格中的某些位置時(shí)，內(nèi)嗅皮層中的某些固定的細(xì)胞會(huì)被激活。每個(gè)細(xì)胞都對(duì)應(yīng)著某個(gè)特定的空間格局，這些“網(wǎng)格細(xì)胞”共同建立出一個(gè)可以進(jìn)行空間導(dǎo)航的坐標(biāo)系統(tǒng)。它們和內(nèi)嗅皮層中其他負(fù)責(zé)辨識(shí)頭部方向和房間邊界的細(xì)胞一起，與海馬體中的位置細(xì)胞共同組成了神經(jīng)回路。這個(gè)回路系統(tǒng)在大腦中建立了一套綜合定位系統(tǒng)，一個(gè)內(nèi)置的GPS。

人類(lèi)大腦里的“地圖”

根據(jù)最近的腦成像技術(shù)調(diào)查，以及對(duì)接受神經(jīng)外科手術(shù)患者的研究都顯示，位置細(xì)胞同樣存在于人體中。在早期階段阿爾茲海默氏疾病的早期階段，患者的海馬體和內(nèi)嗅皮質(zhì)經(jīng)常會(huì)受到影響，以致這些患者經(jīng)常無(wú)法辨別周邊環(huán)境并且迷路。了解大腦的位置系統(tǒng)或許可以因此幫助我們了解這種疾病如何對(duì)患者的空間記憶喪失造成影響。

這一對(duì)大腦位置系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)代表了人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大腦特化細(xì)胞如何協(xié)同合作，并執(zhí)行更高水平的認(rèn)知功能。它為人們理解認(rèn)知過(guò)程，比如記憶、思維與計(jì)劃開(kāi)辟了新的途徑。

對(duì)人類(lèi)相關(guān)性的藥品

殘疾的腦部疾病是最常見(jiàn)的原因，盡管對(duì)人們的生活產(chǎn)生重大影響，但沒(méi)有有效的方法來(lái)預(yù)防或治療這些疾病。情景記憶是影響一些大腦疾病的，包括老年癡呆癥和阿爾茲海默氏癥。更好的理解空間記憶的神經(jīng)機(jī)制是非常重要的，位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)是重大飛躍。研究表明，阿爾茲海默病小鼠模型退化的字段與動(dòng)物空間記憶的惡化（Cacucci et al.，2008）。沒(méi)有直接的翻譯結(jié)果臨床研究或?qū)嵺`。然而，海馬結(jié)構(gòu)的第一個(gè)結(jié)構(gòu)是影響阿爾茲海默氏癥，大腦的知識(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)可能有助于理解這個(gè)疾病患者的認(rèn)知能力下降。

不為人知的師徒檔和夫妻檔

莫澤夫婦是一對(duì)在北極研究神經(jīng)科學(xué)的傳奇學(xué)者。邁-布里特·莫澤和愛(ài)德華·莫澤現(xiàn)年分別為51歲和52歲，是歷史上第四對(duì)共同獲得諾貝爾獎(jiǎng)的夫婦，也是醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域第二對(duì)獲獎(jiǎng)夫婦。莫澤夫婦分別在挪威的兩座不同的北極島嶼上長(zhǎng)大，都出身于非學(xué)術(shù)家庭，然后兩人都去了同一所學(xué)校，但兩人直到1983年之前都互不認(rèn)識(shí)。當(dāng)時(shí)兩人都在奧斯陸大學(xué)求學(xué)，又都開(kāi)始意識(shí)到自己的真正激情在于對(duì)神經(jīng)科學(xué)以及大腦科學(xué)方面的研究上。然后突然之間，迸出火花。帶著年輕人之間的羅曼蒂克故事，還有在學(xué)術(shù)上的好奇心，他們開(kāi)始了一項(xiàng)使命——找出大腦控制行為的背后機(jī)制。

1984年，當(dāng)時(shí)還是本科學(xué)生的兩人登上了非洲坦桑尼亞境內(nèi)的乞力馬扎羅山山頂，并在這里交換了訂婚戒指。但因?yàn)樯巾數(shù)臏囟葘?shí)在太冷，他們兩人不得不用最快的速度完成戒指交換，然后趕緊戴上手套。

在博士答辯完成之前，他們便雙雙收到了約翰·奧基夫教授位于倫敦的實(shí)驗(yàn)室發(fā)來(lái)的博士后研究職位邀請(qǐng)。

1970年代，奧基夫教授在小鼠大腦的海馬體區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一種被稱(chēng)作“位置細(xì)胞”的特殊神經(jīng)細(xì)胞。這一研究領(lǐng)域非常熱門(mén)，而莫譯夫婦一頭扎了進(jìn)去。他們已經(jīng)共事超過(guò)30年，結(jié)婚超過(guò)28年，但時(shí)間并沒(méi)有讓他們對(duì)大腦科學(xué)的研究興趣有絲毫減弱。而約翰·奧基夫的妻子艾琳·奧基夫，是一名公共衛(wèi)生學(xué)院的教授。在紐約市立大學(xué)哲學(xué)課上的一次相遇注定了他們44年美好的婚姻生活。平常不做實(shí)驗(yàn)時(shí)，瘋狂熱愛(ài)籃球的約翰甚至夢(mèng)想能與NBA球員一拼高下。閑暇的周末，夫妻倆也總是帶著兩個(gè)兒子在英國(guó)南部的沙灘和山尖閑逛，順便聊聊哲學(xué)。

（來(lái)源：nobelprize.org）