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兩名孤島少年如何成長為諾獎伉俪?孤島少年 大學時代 巧拜名師 攻博之路 初戰告捷 英國之行 白手起家 攀峰之路 網格細胞 斯德哥爾摩的來電 人生感悟

這對夫婦最出名的是他們獲得諾貝爾獎的話語,而不是居裡夫婦。在生命科學領域,在美國科學家Gerty Theresa Cori和她的丈夫Carl Ferdinand Cori與另一位科學家分享1947年諾貝爾生理學或醫學獎之後,另一對科學家Edward I. Moser和May-Britt Moser于2014年因發現構成大腦定位系統的細胞機制而獲得該獎項。

編寫|顧帆和(複旦大學生命科學學院)

< h1級"pgc-h-arrow-right">島幼年</h1>

1962年,愛德華出生在挪威西海岸附近的一個小島Haramsøy。父母都是德國移民,他們都想在第二次世界大戰期間接受教育。早年,他的父親學習制作教堂器官的工藝,并搬到島上工作。

愛德華出生後的第二年,全家搬到了黑瑞德島。島上隻有4000名居民,教育資源有限,但愛德華在母親送給他大量書籍後,慢慢對科學産生了興趣,後來甚至還請她去德國圖賓根大學的書店買天體實體學書籍。他與父親一起委托器官的經曆培養了他對大自然的熱愛,去德國法蘭克福度假,參觀自然博物館是他最大的樂趣。從那以後,愛德華就相信自己将來會成為一名科學家。

在高中時,老師對好的跟進吸引了他進入藝術和科學,對所有學科都有濃厚的興趣。也是在這個島上的高中,他第一次見到了他未來的妻子梅·布裡特(May Britt),但兩人并沒有太多的聯系。

梅-布裡特出生在福斯納瓦格小島上,父母擁有一個小農場。除了照顧農場外,父親還當木匠,母親照顧五個孩子。

小時候,梅·布裡特(May Britt)很好奇,觀察蝸牛在田野裡吃草,并對它們背後的機制感到好奇。她的母親經常給她講希望和夢想的童話故事,這培養了她的信念,即使一無所有,她也可以通過努力工作取得成功。

梅-布裡特也是在老師的鼓勵下長大的,雖然高中成績還不錯,但離醫學院還有很長的路要走。母親警告她,如果不努力學習,将來就得當家庭主婦。梅-布裡特不願意這樣做,最終進入了挪威最高大學奧斯陸大學。

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圖1 1986年厄瓜多的摩澤爾人。[1]

<大學時代>h1級"pgc-h-right-arrow"</h1>

1983年初,已經服完一年半兵役的愛德華即将進入奧斯陸大學。就在那時,他遇到了高中同學梅·布裡特(May Britt),她已經是大學二年級的學生,并成為愛德華的校園向導。

當時,愛德華剛剛讀完弗洛伊德的名著《夢的分析》,梅·布裡特(May Britt)對心理學産生了興趣。是以,在1983年秋天,兩位候選人獲得了為期一年的心理學學士學位。兩人都對行為心理學感興趣,該分支在科學上是嚴謹的,并且認為過于簡單化,并希望了解行為背後的神經機制。

面對兩位前來幫助兩人的人,行為心理學老師在1979年9月的《科學美國人》雜志上發表了一期關于大腦的特刊,提出了轉向研究領域的想法,該特刊以埃裡克·坎德爾(Eric Kandel)、大衛·胡貝爾(David Hubel)、托斯坦·威塞爾(Torstein Wiesel)和弗朗西斯·克裡克(Francis Crick)等大師為特色。

心理學科目非常受歡迎,以至于兩人在完成學士學位後不得不排隊一年才能繼續學習。愛德華在一家精神病院工作,兼職學習數學、統計學和計算機程式設計,而梅·布裡特則在一家老年研究所工作,還修了輔修課程。這對志同道合的夫婦于1984年訂婚,并于1985年結婚。

< h1 類"pgc-h-right-arrow">一個主站</h1>

在最終能夠進行專業研究之後,愛德華和梅·布裡特仍然不滿足于手頭的工作,而是支援行為領域。他們了解到,奧斯陸有一位記憶神經機制大師,Per Andersen。在聽了他關于突觸傳遞的長期增強機制(長期增強,LTP)及其與記憶的可能關系的報告後,他們覺得ltP是生理學和心理學之間的橋梁,他們正在努力尋找。

1988年,兩人拜訪了安德森,并表示希望在他的門下攻讀碩士學位。然而,安德森不太喜歡心理學家,他的研究團隊已經滿了。兩人沒能僥幸逃脫,安德森真的糾纏着他們,最後說:"好吧,如果你真的想在這裡攻讀碩士學位,看看能不能讀一讀這篇文章(理查德·莫裡斯關于水迷宮的文章),然後建一個水實驗室。如果你成功了,你可以來我的實驗室做我的碩士論文。梅-布裡特回答說:"太好了,我們希望将來能跟着你攻讀博士學位。"

他們從一家塑膠廠買了一個直徑2米、高0.5米的大魚缸,裡面裝滿了1200升水和3升牛奶,以保持25攝氏度的溫暖。白天兩人忙着研究,水迷宮裡的老鼠實驗隻能在晚上進行。就在朱格良的草船借箭的時候,他們在自己的努力和安德森實驗室成員的幫助下,完成了"周雨"的任務,正式成為安德森的學生。

< h1級"pgc-h-arrow-right">攻擊Bo的路徑</h1>

通過水迷宮,愛德華和梅布裡特發現,隻要老鼠損壞了河馬的背部并保持腹部完好無損,老鼠就找不到水下平台;這表明,在水迷宮的研究中,現在背部河馬的作用與腹部河馬是不同的。需要解決的問題是:如果河馬的背面現在與記憶有關,那麼腹部扮演什麼角色?此外,内嗅皮層的作用是什麼以及這兩部分之間的聯系?這些是聯合碩士論文的内容,發表在《神經科學雜志》上。

1990年,兩人都想繼續與安德森一起攻讀博士學位,但很難從同一位導師那裡獲得兩項獎學金。安德森認為,如果長期增強與記憶力的關系是主題,那麼它肯定會得到資助。問題是,他們必須決定誰将申請它。梅·布裡特要求愛德華申請,因為他對這個問題非常感興趣,安德森告訴她不要放棄,他會幫助她找到資金來研究酒精對動物河馬瘤突觸的影響。然而,梅-布裡特不同意這種研究方法,另一方面,他并沒有給動物大量的酒精。她以她在挪威的保守宗教根源為由,在那裡酒精是禁忌,她拒絕了安德森的提議。

May-Britt希望訓練動物研究學習後突觸的數量是否會增加,并用雷射掃描共聚焦顯微鏡觀察它們。這在當時是一個非常新的領域,甚至她的導師安德森也對她的計劃并不樂觀。但梅-布裡特的堅持再次取得了成功:她和愛德華的申請都得到了準許,兩人都很高興。

她後來回憶說:"大約在這個時候,我意識到我是多麼執着。我一直很善良和禮貌,但如果我真的想要什麼,沒有人能阻止我。"

< h1級"pgc-h-right-arrow">第一戰</h1>

1991年,愛德華學會了将慢性電極植入河馬的牙齒背部,記錄了清醒大鼠在盒子周圍徘徊時的場電位。當大鼠熟悉其環境時,興奮性突觸電位(EPSP)變得更強,通常持續20-30分鐘。然而,不尋常的是,當同一隻動物被放置在水迷宮中并學會尋找平台時,EPSP總是更小。

事實證明,EPSP對大腦的溫度非常敏感。水迷宮的溫度遠低于大鼠的體溫,是以EPSP降低,水溫越低,EPSP越小。安德森建議愛德華将熱敏電阻插入小鼠大腦直接監測溫度,事實證明,突觸連接配接的強度直接取決于大腦的溫度。愛德華茲發現,學習行為有時會使大腦溫度升高2攝氏度以上,并且伴随學習過程的先前研究中記錄的EPSP變化實際上是由溫度引起的,而不是LTP引起的。研究結果發表在1993年的《科學》雜志上。1995年,愛德華的博士論文通過了答辯。

另一方面,May Britt的博士論文研究要求每天為老鼠創造一個新的環境,允許它們制作活的海馬石片,并在每天四小時在這個環境中數出它們的棘輪,持續兩周。事實證明,生活在豐富多彩的環境中的老鼠比生活在惡劣環境中的老鼠有更多的棘輪,前者在尋找水迷宮中的隐藏平台時也表現得更快更好。梅·布裡特的研究結果已經發表在三家頂級期刊上。

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圖 2.梅·布裡特有時不得不帶她的孩子去實驗室。為了讓女兒伊莎貝爾保持安靜,她給女兒"讀"了《海馬》雜志,孩子們似乎真的很感興趣。兩人後來生了兩個女兒後,還是解決了這個問題。[2]

< h1級"pgc-h-arrow-right">英國之旅</h1>

在攻讀碩士學位的那一年早些時候,兩人參加了在瑞典斯德哥爾摩舉行的歐洲神經科學會議,在那裡他們第一次在愛丁堡大學見到了莫裡斯。莫裡斯不僅注意到他們研究河馬的牆壁,而且在他送出大會的報告中提到了這項工作,這對兩個嶄露頭角的年輕人來說是一個很大的鼓勵。後來,莫裡斯邀請他們參觀他們的實驗室,以完成進一步的實驗。經過幾次通路,兩人得出結論,隻有一小部分海馬體的動物背面仍可用于空間學習,這一結果發表在1995年的《科學》雜志上。

在愛丁堡短暫的甯靜中,這對夫婦與莫裡斯建立了終生的友誼,并結識了來自世界各地的科學家。在此期間,他們還想使用單細胞記錄來尋找與記憶相關的神經活動的變化,并計劃在1996年傳回挪威建立自己的單細胞記錄實驗室。但莫裡斯的實驗室沒有經驗和裝置,是以莫裡斯建議他們去倫敦大學學院的奧基夫實驗室學習。

後來,愛德華經常認為這一次在倫敦是他一生中學到的最多的東西。愛德華的小辦公桌就在奧基夫的辦公室裡,他幾乎可以随時咨詢奧基夫。O'Keefe指導他制作單細胞記錄的各個方面,包括如何進行手術,如何制作電極,如何記錄和分析資料等等。這對愛德華後來的職業生涯至關重要,是以獲得了諾貝爾獎。

< h1級"pgc-h-right-arrow">從頭開始</h1>

在1995年完成博士論文之前,Edward和May Britt計劃在熟悉的莫裡斯實驗室作為博士後學生一起工作。但他們也嘗試并申請了特隆赫姆一所學校心理學系的教學職位,告訴招聘委員會不要考慮隻給一個名額。結果,學校不僅錄取了他們兩人,而且同意了他們幾乎所有的要求,包括一個新的實驗室和所需的裝置。這個機會來之不易,是以原先的出國工作計劃不得不擱置。

兩人于1996年8月1日在特隆赫姆開始工作,新實驗室是心理學系地下室的一個空的防空洞,全部從頭開始。心理學系以前沒有進行動物實驗,是以除了訂購和建造位置細胞記錄裝置外,他們還必須建造動物喂養箱。直到一年後,他們才記錄了細胞的第一個位置。

雖然兩人都忙于實驗,但他們還必須處理日常技術任務,從制作電纜到清潔老鼠籠。此外,他們承擔了大部分生物心理學的教學。雖然學生們喜歡他們的課程,但大多數人希望将來成為臨床醫生,而不是在大鼠實驗室度過餘生。是以,直到1999年,由于挪威研究委員會的資助,這兩名男子的實驗室才招募了一名學生和一名兼職技術人員。

雖然俗話說"有福不是雙倍",但他們真的遇到了雙重喜樂。當時,心理學系需要一名技術人員來管理人類神經心理學部門的所有測試,誰知道人事部門将這裡的"電池"誤解為"電池",并招募了電子工程師Raymond Skjerpeng。他對神經心理學測試一無所知,但它适合愛德華和梅·布裡特的實驗室。Sheppan既有創造力又勤奮,他日夜夜都在防空洞裡度過,幫助他們建立了最先進的神經生理學實驗室。

一旦實驗室走上正軌,它就可以繼續記錄位置細胞,但這種情況很少見,如果你想真正識别記憶,你必須同時記錄很多細胞。是以,在2001年,兩人來到亞利桑那州圖森的巴恩斯-麥克諾頓實驗室,僅用了六周的學術假期就學習了這項技術。

<h1級"pgc-h-right-arrow">通往山頂的道路</h1>

通過對位置細胞的研究,兩人自然而然地問了自己一個基本問題:河馬體内位置信号的起源是什麼?自從O'Keefe在1971年發現位置細胞以來,幾乎所有的研究都集中在CA1的這一部分,即河馬回路的最後階段。那麼前部(齒形背面和CA3)是否也有效?此外,由于内部嗅探皮層為河馬提供了大部分輸入,是以内窺鏡皮層是否也适用于位置編碼?

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圖3 河馬和内嗅皮層的内部神經回路。圖中的DG是齒形的,EC是内嗅皮層。(引自 https://blogs.plos.org/neuro/files/2015/09/CajalHippocampus_modified.png)

為了回答這些問題,他們申請了資金,并将實驗室從心理學系搬到了醫學院,以适應神經科學研究不斷擴大的需求。此後,在一些大基金的支援下,他們于2002年成立了記憶生物學中心,該中心不僅具備購買裝置、招收學生的能力,還聘請了包括莫裡斯在内的一些世界頂級專家擔任顧問。

就這樣,"紅牆之戰"的發起,一切隻歸功于東風。隻有兩種選擇可以回答信号源問題,以定位細胞檢測位置,要麼從河馬内部,要麼從内嗅覺皮層。他們選擇性地破壞了河馬背部的CA3,或者切斷了從CA3到CA1的連接配接,使CA1沒有來自河馬内部的輸入,隻留下來自内嗅皮層的直接連接配接。根據當時的普遍看法,CA1中的位置細胞在這樣的手術後應該不再能夠檢測到位置,但事實并非如此。這表明位置信号要麼來自CA1電路本身内部,要麼僅基于來自剩餘皮層源(嗜内層皮層)的空間信号。

是以,從2002年開始,他們将研究轉向嗅覺内皮層細胞。通過對過去研究的分析和讨論,他們認為應該記錄内嗅皮層的背部和内部部分。這樣的實驗是前所未有的,甚至在背部定位内嗅覺皮層也不容易 - 在小鼠大腦的解剖圖通常沒有矢量圖譜的時候,這正是定位所需要的。這些困難都沒有阻止有趣的結果,記錄顯示内嗅皮層細胞具有離散的釋放野性,但每個細胞在其周圍有多個釋放野性,是以不能僅從單個細胞的釋放中推斷出動物的位置。同時,這些分布場不是随機排列的,相鄰場之間的距離出奇地恒定。

< > h1 類"pgc-h-箭頭-右"中的網格單元</h1>

2004年底,他們的發現在美國聖地亞哥神經科學學會的一次會議上引起了學術界的極大興趣。有人認為這些細胞的分布可能是六邊形的。從會議回來後,他們組織了一個五人小組進行戰鬥。梅·布裡特和另外兩人負責實驗,愛德華負責分析和記錄資料并試圖解釋它。另一位同僚Sturla Molden負責程式設計和統計分析,包括使用空間自動相關程式來查找空間周期性。

盡管以前的記錄已經顯示出迹象,但六邊形結構仍然非常狂野,需要來自更大環境的資料來確定這種周期性不是偶然的。為此,他們在直徑為兩米的圓形環境中記錄,結合Morden的自相關程式,以證明六邊形圖案既不是巧合也不是技術錯覺。愛德華給這些細胞起了一個簡單直覺的名字——網狀細胞。研究結果發表在2005年出版的《自然》雜志上。

無論動物的速度和方向如何變化,這些細胞總是被如此統治,以至于它們的位置是由路徑積分決定的,并且網格細胞必然是基于路徑積分的空間映射機制的一部分 - O'Keefe早在1976年就有了這個猜測,但幾乎沒有證據。Edward和May Britt确信,他們已經找到了認知圖譜的重要組成部分,并且網狀細胞的發現讓人們第一眼看到大腦如何擷取複雜的資訊,例如我們在哪裡以及我們如何移動,并生成自己的内部代碼來利用它。外部世界沒有網狀圖案,是以它必須起源于内嗅皮層本身或相鄰結構的活動。

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圖 4 網格單元格。黑色軌迹顯示了動物的路徑。藍點表示内嗅皮層第二層中的單個細胞在釋放時的位置。活動場形成六邊形網格圖案。[2]

他們的發現在神經科學界引起了轟動。2007年,Kavli基金會資助建立了世界上第15個Kavli研究所,即Kavli系統神經科學研究所。在此之前和之後,他們在内嗅皮層中發現了兩個空間相關的細胞 - 面向頭部的細胞和邊界細胞。前者告訴動物它正在向哪個方向移動,而後者在接近邊界時産生釋放。其他發現包括結膜細胞,它将頭對頭細胞與網狀細胞相結合,以及與釋放和運動速率線性相關的速度細胞。

<從斯德哥爾摩>h1級"pgc-h-right-arrow"的呼叫</h1>

2014年10月6日,愛德華飛往德國慕尼黑,參觀馬克斯普朗克神經生物學研究所,但出乎意料地受到機場代表的歡迎。代表送給他鮮花,告訴他一個好消息:他獲得了馬克思·普朗克學會獎。誰知道呢,這位代表混淆了獲獎資訊,當愛德華拿出手機檢視時,看到諾貝爾委員會秘書戈蘭·漢森發了一條短信:"愛德華,盡快給我回電話。有一些重要的事情!"數以百計的電子郵件和短信即将到來。

在香槟慶祝和新聞釋出會之後,愛德華有機會與梅·布裡特(May Britt)進行了交談,後者在兩小時前被告知這對夫婦的諾貝爾獎。

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愛德華于2014年10月7日傳回特隆赫姆市機場時受到了熱烈的歡迎。[1]

< h1級"pgc-h-right-arrow">生命感</h1>

誰能想到兩個島上的少年長大後會成為諾貝爾獎獲得者呢?回顧過去,愛德華坦率地承認,他并不完全确定是什麼讓它成為可能。為了從這些教訓中吸取教訓,他說:"我的父母對學術界的興趣當然對我有用,但是如果沒有良好的外部教育環境和國小和中學的額外激勵,我可能不會成為一名成功的科學家。"[1]

"即使我決心在我的餘生中做科學研究,也不能保證我會成功。找到合适的研究團隊是任何科學事業的重要組成部分,我可以說我的選擇是偶然的。我在Sagwarden學習行為分析,當我的領域發展到需要結合心理學和生理學時,我适當地轉向安德森學習神經科學。"[1]

"自我們開始競選活動以來,梅布裡特和我得到了許多人和機構的幫助,他們已經看到了我們工作的潛力和支援。也許我的性格發揮了作用,我有強烈的意願專注于一個特定的目标,即使需要幾十年才能堅持下去。我對數學的熱情和我對整合來自不同學科的資訊的熱愛也很有幫助。在梅·布裡特(May Britt)的幫助下,我覺得有時我可以看到全景和前進的道路。"[1]

當然,兩人的成功也得益于他們對工作的熱情。"我們的兩個女兒總是開玩笑說實驗室就像我們的第三個孩子,"梅-布裡特回憶道。在很多方面,他們都是對的。我們為所有三個孩子感到驕傲。除了我們的實驗室"孩子"之外,還有真正的"親生"孩子,他們給我的生活帶來了極大的快樂,這使我更容易做研究。"

引用

[1] 愛德華·莫澤傳記。2014年諾貝爾獎。代表諾貝爾基金會由美國科學曆史出版社沃森出版國際有限責任公司出版,薩加莫爾海灘,2015年。&lt;https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2014/Edvard-moser/biographical/&gt;

[2] 梅-布裡特·莫澤傳記,2014年諾貝爾獎。代表諾貝爾基金會出版,由美國科學史出版社,沃森出版國際有限責任公司,薩加莫爾海灘,2015年

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2014/may-britt-moser/biographical/

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