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Your Good Partner in Biology Research

諾貝爾獎得主的巔峰之路

日期:2014-10-10 09:13:53

 

2014年的諾貝爾生理學/醫學獎頒給了John OKeefe May-Britt MoserEdvard MoserMoser夫婦也成為了諾貝爾獎史上第五對獲獎伉儷。EdvardMay-Britt Moser已經合作了三十年(結婚二十八年),早餐、實驗室晨會、晚餐他們都在反復探討人類的大腦。

 

網格細胞的發現

 

Moser夫婦在Trondheim的第一個目標,是更好的描述位置細胞信號的來源。盡管這些細胞就位于海馬體中,但也可能有其他地方的細胞引導位置細胞激發。

 

他們采用了研究位置細胞的標準實驗技術,直接給大鼠海馬體植入電極,并讓大鼠在大盒子里自由跑動,同時記錄電活性。這些電極非常靈敏,足以捕捉單個神經元的活性,它們得到的數據可以在電腦里進行分析。為了確保大鼠的跑動覆蓋整個區域,研究人員給在其中灑滿了巧克力。

 

隨后,Moser夫婦通過化學方法令海馬體及其附近的各區域失活,然后測試定位細胞是否能正常激發。他們由此發現了從內嗅皮層流向定位細胞的信息。在此之前沒人注意過內嗅皮層,這主要是因為這個結構極難觸及,很容易造成動物死亡。Moser夫婦咨詢了神經解剖學專家,找到了插入電極的理想位置,并開始研究內嗅皮層的神經元。

 

研究人員發現,當大鼠移動到盒子特定位點的時候,內嗅皮層的一些神經元被激發。這一點與海馬體的定位細胞相同,不同的是這些神經元在其他位點也能激發。Moser夫婦注意到,這些位點形成了某種模式。

 

當他們擴大了大鼠跑動的盒子之后,上述模式更清晰地顯現了出來:像蜂巢一般近乎完美的六邊形網格。這樣的簡單性和規律性,令他們不敢相信自己的眼睛。在排除了一切其他可能之后,Moser夫婦開始逐漸解讀大腦的這種作用機制。

 

研究顯示,六邊形路線絕對是大鼠腦部建立的,當大鼠經過六邊形上的點,相應神經元就激發。這種空間表現形式正是人們長期探尋的大腦編碼體系,這一發現發表在2005年的Nature雜志上。

 

驚人的模式

 

很快Moser夫婦開始對網格細胞進行各種測試。他們發現,這些細胞的激發模式在黑暗中依然穩定,而且不依賴于動物的速度或方向。環境改變(比如墻壁顏色的變化)會影響定位細胞的激發率,但網格細胞卻不受影響。Moser夫婦還發現,內嗅皮層的不同細胞能生成多種不同類型的網格,這些大大小小的網格交疊起來就像馬蜂窩一樣。而且網格細胞在大腦中的排列符合精確的數學規則。

 

自古希臘以來人們就一直在探尋大腦、記憶和位置之間的關系,而Moser夫婦的研究將它們關聯了起來。古希臘時期的哲學家通過空間來幫助自己記憶大段的演講稿,他們在腦海中選取一個建筑或街道的布局,將演講稿的不同部分放在這些地標上。他們在長篇大論的同時回憶上述場景,每一個地標就能激活相應的演講稿片段。二十世紀人們仍然著迷于記憶與位置的神秘關系,行為學家們曾推測動物腦海深處攜帶著一個抽象的空間地圖。網格細胞的發現,最終證明了這一切。

 

網格細胞也震驚了那些理論學家們,因為對于有限數量的網格細胞來說,六邊形是達到最高空間分辨力的最優模式。這樣簡單明了的模式讓不少人相信,人類能夠最終理解整個大腦所用的計算原則。

 

并不是所有夫妻都能夠如此和諧地一同工作。Moser夫婦認為自己的默契很大程度上要得益于耐心和共同的興趣,不論是在科研還是在生活上。他們二人都酷愛戶外運動,May-Britt每隔一天就要去附近跑步,而Edvard每周末都去遠足。他們都癡迷于火山,共同登上了許多壯麗的山峰。

 

在工作上,Moser夫婦有明確的分工。Edvard主要負責計算機和理論方面,而May-Britt著重管理實驗室和進行實驗。“我們有不同的強項,結合起來就能得到更好的結果,”Edvard說。一般Moser夫婦只有一人去參加會議,另一人留在實驗室。“所以說我們也并不是整天形影不離,”Edvard說。

 

網格細胞還有許多值得研究的地方。科學家們還不清楚內嗅皮層的神經網絡是如何生成網格的,也不了解網格細胞、位置細胞和其他定位細胞是相互協作為動物導航的。現在,Moser夫婦正走在探索這些問題的路上。

 

在神經編碼的抽象世界以外,網格細胞還有另一個重要的意義,即幫助人們理解記憶和失憶。內嗅皮層是阿爾茨海默癥影響的第一個腦部結構,而迷路或感到迷失也是這種疾病的早期癥狀。Moser夫婦推測,內嗅皮層的細胞可能與阿爾茨海默癥有特殊的關系,他們希望其它科學家能夠著手揭開這個謎題。

 


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