世界科學(xué)領(lǐng)域的“神雕俠侶”

張東亮

因?yàn)樗麄儭鞍l(fā)現(xiàn)了大腦中形成定位系統(tǒng)的細(xì)胞”，解答了一個(gè)困擾哲學(xué)家和科學(xué)家們數(shù)個(gè)世紀(jì)的謎團(tuán)，瑞典卡羅琳醫(yī)學(xué)院10月6日在斯德哥爾摩宣布，將2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予挪威科學(xué)家愛德華？莫瑟爾夫婦（Edvard 和May-Britt Moser）及其導(dǎo)師。有趣的是，這對(duì)夫婦共事已經(jīng)超過30年，曾就讀同一所大學(xué)，都酷愛登山，一同赴英留學(xué)，回國后同在北極圈邊的實(shí)驗(yàn)室里搞研究，又一起獲得諾貝爾獎(jiǎng)，堪稱世界科學(xué)領(lǐng)域的“神雕俠侶”！

在乞力馬扎羅山鑒證愛情

今年51歲的梅·布里特，出生于挪威福斯納沃格的一個(gè)藝術(shù)之家，從小酷愛音樂。她與比自己大一歲的老公愛德華.莫瑟爾，分別在挪威兩座不同的北極島嶼上長大，在那里夏季似乎是永恒的，而在漫長的冬季，唯一照亮地面的似乎就只剩下天空中的北極光。

兩人都出身于非學(xué)術(shù)家庭，長大后同在奧斯陸大學(xué)學(xué)習(xí)心理學(xué)，但兩人卻并不認(rèn)識(shí)。莫瑟爾夫婦的初次見面是在1983年朋友舉辦的聯(lián)誼會(huì)上。當(dāng)時(shí)因打工而遲到了的梅跑得滿頭是汗，但她熱情直率的性格卻讓在座的愛德華印象深刻，“她真是個(gè)精力旺盛又十分可愛的女孩！”

幾次相處下來，兩人漸漸發(fā)現(xiàn)彼此有很多相似之處，也都在迷惑著要研究什么課題。而最終他們選擇了同一條科學(xué)之路———兩人最感興趣的“神經(jīng)科學(xué)以及大腦科學(xué)研究”。巨大的學(xué)術(shù)好奇心和偶然間迸發(fā)的愛情火花，伴隨著兩個(gè)年輕人開始了一項(xiàng)全新的使命———找出大腦控制行為的背后機(jī)制。

兩人前去拜訪了該校具有顯赫聲望的電生理學(xué)家皮爾·安德森（Per Andersen），請(qǐng)求跟隨他做本科畢業(yè)課題。安德森當(dāng)時(shí)正在開展對(duì)大腦海馬體區(qū)域神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的研究———這是大腦中一個(gè)與記憶有關(guān)的區(qū)域。而兩位年輕學(xué)生前來建議將細(xì)胞的精確活動(dòng)機(jī)制與動(dòng)物行為聯(lián)系起來。安德森與當(dāng)時(shí)大多數(shù)的神經(jīng)科學(xué)家一樣，對(duì)這樣直接跨越如此巨大的一步心存疑慮。但是看這兩位年輕人非常堅(jiān)持，便為他們指定了一個(gè)聽上去簡單的課題：在保持小鼠對(duì)環(huán)境信息記憶能力的情況下，你最多可以切除小鼠大腦海馬體的多大一部分？莫瑟爾夫婦欣然接受了這項(xiàng)挑戰(zhàn)，并很快有了重大的發(fā)現(xiàn)。在當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們普遍認(rèn)為海馬體是均一的，但他們發(fā)現(xiàn)海馬體的一側(cè)在空間記憶方面要比另一側(cè)重要得多。

1984年，當(dāng)時(shí)還是本科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。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。而此時(shí)的兩人已經(jīng)設(shè)想好了他們未來共同生活的樣子：生完孩子就去國外做博士后研究，然后在世界的某一個(gè)地方建立自己的實(shí)驗(yàn)室。

大學(xué)畢業(yè)后，他們舉行了婚禮。1995年，兩人同時(shí)在奧斯陸大學(xué)獲得了神經(jīng)生理學(xué)博士學(xué)位，并在答辯完成前，雙雙收到了來自倫敦約翰·奧基夫教授實(shí)驗(yàn)室的博士后研究職位邀請(qǐng)，并一同赴英成為愛丁堡大學(xué)的博士后研究員，在倫敦大學(xué)擔(dān)任訪問學(xué)者。

北極圈邊有個(gè)“快樂王國”

“我們?nèi)绾沃雷约荷硖幒畏?？我們?cè)趺凑业綇囊粋€(gè)地方到另一個(gè)地方的路徑？我們?nèi)绾未鎯?chǔ)這些信息，從而能夠在下一次立即找到這條路？”1971年，奧基夫教授在小鼠大腦的海馬體區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一種被稱作“位置細(xì)胞”的特殊神經(jīng)細(xì)胞。這些細(xì)胞只有當(dāng)小鼠抵達(dá)某一特定位置時(shí)才會(huì)被激活，比如靠近一個(gè)輪子，或是在門前的位置。之后，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他與導(dǎo)航相關(guān)的神經(jīng)細(xì)胞，比如有些神經(jīng)細(xì)胞在小鼠的頭部轉(zhuǎn)向某一特定方向時(shí)會(huì)激活，有些則是當(dāng)視野中見到邊界（比如籠子或房間的邊界）時(shí)會(huì)激活。這一研究領(lǐng)域變得非常熱門，莫瑟爾夫婦也一下子扎了進(jìn)去。

1996年，莫瑟爾夫婦意外地收到位于特隆赫姆的挪威科技大學(xué)的助理教授職位邀請(qǐng)。當(dāng)時(shí)兩人有點(diǎn)猶豫不決。因?yàn)槿绻邮埽鸵馕吨鴮⑶巴粋€(gè)遠(yuǎn)離世界學(xué)術(shù)研究中心的偏遠(yuǎn)之地，一個(gè)名不見經(jīng)傳的小型大學(xué)單打獨(dú)斗。但這個(gè)學(xué)校愿意給出兩個(gè)職位，這意味著他們可以在一個(gè)地方一同工作，并且研究領(lǐng)域也是對(duì)口的，對(duì)他們的吸引力很大。最終，小兩口接受邀請(qǐng)回到了挪威。此時(shí)，一同回國的還有他們的兩個(gè)小寶寶———一個(gè)蹣跚學(xué)步，另一個(gè)還是嬰兒。

然而，在特隆赫姆安頓下來并不是一件容易的事。這里離北極圈僅300多公里，天寒地凍，條件十分艱苦，他們必須白手起家，在一間地下室里建立起自己的實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施。但幸運(yùn)的是，莫瑟爾夫婦憑借自己的努力在短短幾年時(shí)間內(nèi)獲得了歐盟研究委員會(huì)的一筆巨額資助，讓事情變得順利多了。

莫瑟爾太太是個(gè)干練的辣媽，盡管已經(jīng)是兩個(gè)孩子的母親，但依然充滿青春活力。她每天一大早親自開車送孩子去幼兒園，然后再回到實(shí)驗(yàn)室開始一天的工作。她說自己很幸運(yùn)，因?yàn)楹拖壬兄餐膼酆?，所以他們可以一起討論，一起做?shí)驗(yàn)，在假期相約去登山、旅行，在冬天的周末全家人去滑雪，孩子們活潑可愛，夫婦間彼此融洽，在偏遠(yuǎn)寒冷的北極圈邊，他們宛如擁有了一個(gè)屬于自己的“快樂王國”。

大腦中的GPS———“網(wǎng)格細(xì)胞”

莫瑟爾夫婦在特隆赫姆的第一個(gè)任務(wù)是改進(jìn)對(duì)位置細(xì)胞信號(hào)來源的描述。盡管這些細(xì)胞本身位于海馬體，但也有可能是位于其他位置的細(xì)胞對(duì)它們發(fā)出指令，控制它們何時(shí)激活，他們必須從解剖學(xué)入手，探查信號(hào)是如何在此間進(jìn)行傳遞的。

在實(shí)驗(yàn)室里，他們兩人采用標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)手段研究位置細(xì)胞：將電極直接植入小鼠的海馬體并記錄當(dāng)它在一個(gè)大盒子內(nèi)自由奔跑時(shí)產(chǎn)生的大腦信號(hào)。這些植入的電極靈敏度極高，可以記錄下單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)被送入計(jì)算機(jī)并匹配這些神經(jīng)細(xì)胞被激發(fā)時(shí)小鼠在盒子中所處的位置。這些點(diǎn)的位置在屏幕上以黑點(diǎn)的形式呈現(xiàn)。為了確保小鼠的活動(dòng)區(qū)域涵蓋了整個(gè)盒子區(qū)域，夫婦倆還特地在盒子底部均勻的撒上一些巧克力碎塊。而在向一位大腦解剖學(xué)專家請(qǐng)教之后，莫瑟爾夫婦得出結(jié)論，植入電極的最佳位置應(yīng)該是避開血管，而置于接近大腦皮層的地方。接下來他們開始不斷重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)，記錄來自內(nèi)嗅皮層單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的信號(hào)。也就是在這一時(shí)刻，他們有了突破性的發(fā)現(xiàn)！

莫瑟爾夫婦注意到，內(nèi)嗅皮層區(qū)域的神經(jīng)細(xì)胞會(huì)在小鼠通過某一特定點(diǎn)的時(shí)候發(fā)生激活，這一點(diǎn)和海馬體區(qū)域的位置細(xì)胞很像。但它們?cè)谄渌麕讉€(gè)區(qū)域也同樣會(huì)發(fā)生激活。當(dāng)盒子里的小鼠正忙著到處在盒子底部找巧克力碎塊吃的時(shí)候，莫瑟爾夫婦在一旁專注地觀察它們的行為，而計(jì)算機(jī)則不斷記錄著小鼠的大腦神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)并在位置圖上進(jìn)行繪制。很快，一個(gè)圖形模式漸漸清晰起來———那是一個(gè)呈六邊形的網(wǎng)格形狀，就像一個(gè)蜂巢。在盒子里并沒有六邊形狀存在，這一形狀是在小鼠的大腦內(nèi)抽象地形成并疊加于環(huán)境背景之上的，當(dāng)小鼠經(jīng)過這一抽象六邊形上的某一點(diǎn)時(shí)，某一對(duì)應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞就會(huì)被激活。這是一項(xiàng)重大的發(fā)現(xiàn)———這是空間的大腦語言，大腦正是依靠這種語言來刻畫周圍的空間環(huán)境的，這也正是人們長期以來苦苦尋求的問題的答案！

就在導(dǎo)師奧基夫發(fā)現(xiàn)大腦“位置細(xì)胞”34年之后的2005年，莫瑟爾夫婦又發(fā)現(xiàn)了大腦定位機(jī)制的另外一項(xiàng)關(guān)鍵組成部分：他們將其稱為“網(wǎng)格細(xì)胞”。這種細(xì)胞能夠產(chǎn)生一種坐標(biāo)系統(tǒng)，從而使得精確定位與路徑搜尋成為可能。二人的后續(xù)研究，揭示了位置和網(wǎng)格細(xì)胞是如何令定位和導(dǎo)航成為可能。大腦內(nèi)的定位系統(tǒng)，被稱為大腦中內(nèi)置的“GPS”，它讓我們能夠在空間中實(shí)現(xiàn)定位，揭示了高等認(rèn)知能力的細(xì)胞層面機(jī)制。莫瑟爾夫婦對(duì)“網(wǎng)格細(xì)胞”的這一發(fā)現(xiàn)，解答了一個(gè)困擾哲學(xué)家和科學(xué)家們長達(dá)幾個(gè)世紀(jì)的謎團(tuán)。

夫婦完美搭配齊獲諾獎(jiǎng)

獲得2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，對(duì)于莫瑟爾夫婦確是意料之外。按照慣例，諾獎(jiǎng)委員會(huì)會(huì)打電話通知諾獎(jiǎng)得主，并記錄下他們第一時(shí)間的反應(yīng)。當(dāng)時(shí)接到電話的莫瑟爾夫人正在實(shí)驗(yàn)室開會(huì)。周一早上她有好幾個(gè)會(huì)議，當(dāng)時(shí)她正在和同事們激烈地討論研究數(shù)據(jù)，因?yàn)橛懻撨^程太有趣，差點(diǎn)錯(cuò)過了電話。在得知獲獎(jiǎng)后，莫瑟爾夫人說自己簡直“震驚了，一直在哭”，接著又像孩子般興奮得手舞足蹈，和同事們一起喝著香檳慶祝。而此刻一同獲獎(jiǎng)的莫瑟爾先生正在飛往德國的飛機(jī)上，就在消息宣布一個(gè)半小時(shí)后，莫瑟爾先生緩緩走下飛機(jī)的時(shí)候他才得知這個(gè)喜訊，人們拿著鮮花在機(jī)場迎接他?！斑@真是一個(gè)驚喜，我完全沒有想到?！彼f，慕尼黑機(jī)場的官員們親自向他祝賀。而當(dāng)他打開手機(jī)才發(fā)現(xiàn)，自己竟有“120個(gè)未接來電”。

諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)對(duì)他們給出了這樣的評(píng)價(jià)：“愛德華.莫瑟爾夫婦與其導(dǎo)師奧基夫的研究成果，解決了困擾科學(xué)界幾個(gè)世紀(jì)的難題，揭示了大腦如何創(chuàng)建周圍空間的‘地圖，如何在復(fù)雜環(huán)境中定位路徑。對(duì)大腦定位系統(tǒng)的認(rèn)知，可能幫助我們進(jìn)一步了解人類大腦空間記憶的中樞機(jī)制，開啟人類對(duì)記憶、思考等認(rèn)知過程理解的新篇章?！?/p>

莫瑟爾夫人的好友———中科院院士、神經(jīng)生物學(xué)家段樹民則認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)給老年癡呆癥的治療指明了方向，“以前只認(rèn)為是老年人的記憶力下降，對(duì)于治療，一直沒有發(fā)現(xiàn)有效的預(yù)防和治愈的方法。而定位細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，讓我們知道人是靠空間能力才能在環(huán)境中識(shí)別、記憶并辨別方向。大腦的網(wǎng)格細(xì)胞系統(tǒng)功能不僅支持導(dǎo)航，還有記憶功能。老年癡呆癥病人經(jīng)常迷失方向，與空間記憶功能受損有關(guān)。如果從患者的網(wǎng)格細(xì)胞入手進(jìn)行治療，可能就會(huì)有效?！?/p>

有人說莫瑟爾夫婦是幸運(yùn)的，并非每一對(duì)夫妻都能像他們那樣一起舒適和諧地工作，并獲得如此大的成功。而他們將此歸結(jié)為彼此隨和的脾氣和共同的興趣愛好———不僅是科學(xué)，其他方面也是一樣。他們都喜愛戶外運(yùn)動(dòng)：莫瑟爾夫人三天兩頭會(huì)在他們位于海邊的房子附近的山地上跑步，而莫瑟爾先生則會(huì)在周末出去徒步行走。他們兩人都對(duì)火山充滿熱情，所以共同選擇在一座休眠火山的山頂訂婚，并且已經(jīng)一同攀登了阿爾卑斯山等世界各地的許多座高山。在工作中，莫瑟爾夫婦則采取分工合作的方式。丈夫更多的進(jìn)行計(jì)算與理論工作，妻子則負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室管理以及人員管理，并承擔(dān)更多的實(shí)驗(yàn)工作任務(wù)。莫瑟爾先生說：“我們有著不同的長處，每次我倆將各自的長處相結(jié)合，都能做出更好的結(jié)果?！?/p>

現(xiàn)在，莫瑟爾夫婦還是會(huì)在早餐時(shí)間討論有關(guān)“網(wǎng)格細(xì)胞”的研究話題，也會(huì)在清晨的實(shí)驗(yàn)室會(huì)議中進(jìn)行更加細(xì)致的探討，或是傍晚在附近的小餐館津津有味地交流。在外人眼里枯燥乏味的學(xué)術(shù)研究，對(duì)于莫瑟爾夫婦來說卻是妙趣橫生，比燭光晚餐還要浪漫！

（責(zé)編 陳 嘯）