艾莉森·阿博特　汪梅子（譯）

前不久，在北極圈附近工作的梅-布里特·莫澤和愛德華·莫澤一同獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。他們有一個共同的任務(wù)：弄清楚大腦是如何確定我們所在的位置的。

愛德華和梅-布里特已合作了30年，他們結(jié)婚到現(xiàn)在也28年了，但這并沒有影響他們對大腦研究的熱情。吃早餐時，他們還會談?wù)摳蒲邢嚓P(guān)的話題。

他們會在清晨的實驗室會議上討論許多細(xì)節(jié)。最近，在當(dāng)?shù)夭蛷d的一次夏季晚餐上，他們還在深入討論自己的大腦是如何發(fā)揮作用確定位置，并帶領(lǐng)他們回家的。梅-布里特說：“要回家，就得先搞清我們現(xiàn)在身處的位置，我們要去的地方，在哪里轉(zhuǎn)彎，在哪里停步。在現(xiàn)實中需要面對非常復(fù)雜的情況，我們卻沒有一直迷路，這簡直不可思議?！?/p>

誰能弄清我們是如何找到回家的路？最佳人選一定是莫澤夫婦。2005年，他們因發(fā)現(xiàn)大鼠大腦深處的網(wǎng)格細(xì)胞而成名。這些神秘的細(xì)胞同樣存在于人類大腦中，其工作原理很像全球定位系統(tǒng)一樣，能夠讓動物確定自己的位置。此后，莫澤夫婦專門研究網(wǎng)格細(xì)胞與其他有特定功能的神經(jīng)元如何互動，觀察它們?nèi)绾涡纬赏陚涞膶?dǎo)航系統(tǒng)，從而確定方位。網(wǎng)格細(xì)胞的研究也可能有助于解釋記憶是如何形成的，以及為何回憶某個事件時，經(jīng)常要在腦海中勾勒出某個地點，比如房間、街道或景色。

這兩位科學(xué)家在搞科研時儼然是一道風(fēng)景線。同樣是高高的個子，都那么漂亮和帥氣。在實驗室里忙碌時，他們就像用同一個大腦控制的兩部軀干，而且還是有如運動員般結(jié)實的軀干。他們的實驗室位于挪威的特隆赫姆，資金充裕，往北350千米就是北極圈。他們一起發(fā)表文章，一起獲獎，就像是一個統(tǒng)一體。最近一次的閃光時刻，是他們與前任導(dǎo)師、倫敦大學(xué)學(xué)院的神經(jīng)學(xué)家約翰·奧基夫一起獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。2007年時，兩人不過四十出頭，就贏得了加利福尼亞州奧克斯納德卡弗里基金會的一項比賽，獲得了建立并領(lǐng)導(dǎo)一間卡弗里研究所的機(jī)會，而全世界范圍內(nèi)僅有17間卡弗里研究所在運行。莫澤夫婦現(xiàn)已享譽(yù)挪威，他們的研究所吸引了神經(jīng)科學(xué)界的其他巨頭。神經(jīng)生物學(xué)家納楚姆·烏拉諾夫斯基來自以色列魏茨曼科學(xué)研究所，他9月首次造訪特隆赫姆之后表示：“和他們在一起工作，很受啟迪。”

在21世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的研究前沿領(lǐng)域中，莫澤夫婦的工作為他們獲得了聲譽(yù)：研究大腦的計算方式。就像電腦使用Java等編程語言一樣，大腦似乎也有自己的運行語言——這套令人費解的“密碼”就隱藏在神經(jīng)元的放電速度、放電時機(jī)以及大腦回路節(jié)奏性振蕩的電活動中。利用這些“密碼”，大腦就可以通過它能理解和計算的語言，表示外部世界的特征，例如聲音、光線、氣味和空間位置。莫澤夫婦在網(wǎng)格細(xì)胞方面的工作使他們有所突破，率先破解了大腦深處眾多編碼中的一種?，F(xiàn)在，這一領(lǐng)域的挑戰(zhàn)是找到所有其他編碼。在法蘭西公學(xué)院研究意識的斯坦尼斯拉斯·德阿納表示：“梅-布里特和愛德華的研究是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最核心的部分。他們正在嘗試?yán)斫庹J(rèn)知的神經(jīng)編碼——這一工作將會統(tǒng)一生物與計算機(jī)科學(xué)，甚至還有哲學(xué)。”

腦科學(xué)界的新星

莫澤夫婦成長于挪威在北大西洋上兩座不同的島嶼上，夏季白日漫長，寒冬長夜只有舞動的北極光照亮天空。他倆都來自非學(xué)術(shù)家庭，就讀于同一所學(xué)校。直到1983年在奧斯陸大學(xué)上學(xué)時，才互相認(rèn)識。那時兩人都在考慮未來的研究方向，他們同時意識到，自己真正感興趣的是神經(jīng)科學(xué)和大腦。

突然，所有的火花頃刻畢現(xiàn)：愛情、對知識的好奇，還有他們畢生的任務(wù)——探索大腦如何指導(dǎo)行為。莫澤夫婦拜訪了大學(xué)的一位著名教授：電生理學(xué)家佩爾·安德森，請求他指導(dǎo)他們的本科研究項目。安德森當(dāng)時正在研究與記憶相關(guān)的大腦區(qū)域（海馬區(qū)）的神經(jīng)元活動。兩位正在求學(xué)的學(xué)生想著，要把細(xì)胞在該區(qū)域的活動與動物行為聯(lián)系起來。和當(dāng)時大部分神經(jīng)學(xué)家一樣，要把大腦中如此涇渭分明的兩個層面的現(xiàn)象聯(lián)系起來，安德森也懷疑這是否可行。但兩人不肯離開安德森的辦公室，最后他只得讓步，交給他們一個看似簡單的探索項目：要切掉多少海馬區(qū)，大鼠才不會對首次進(jìn)入的新環(huán)境留下認(rèn)定記憶？

兩位年輕的科研工作者接受了挑戰(zhàn)，他們很快就有了重要發(fā)現(xiàn)。此前，大家都以為海馬區(qū)是同質(zhì)化的。但莫澤夫婦發(fā)現(xiàn)，海馬區(qū)的一側(cè)對于空間記憶比另一側(cè)重要得多。于是他們認(rèn)識到，對大腦進(jìn)行細(xì)致的解剖，可能對于理解大腦功能非常重要。事實證明，這一研究對他們后來的職業(yè)生涯具有無比重要的價值。

1984年，本科學(xué)習(xí)尚未結(jié)束時，兩人就在坦桑尼亞的休眠火山乞力馬扎羅山頂訂婚了，山頂?shù)牡蜏仄仁顾麄兇掖医粨Q了戒指，好趕快重新戴上手套。兩人決定了他們未來的共同生活：早點生小孩，去海外做博士后研究，然后在這世界某個地方一起建立他們自己的實驗室。這些計劃都實現(xiàn)了，而且比他們預(yù)期的還要快一些。沒等做完博士論文答辯，他們就已經(jīng)獲得了在倫敦奧基夫?qū)嶒炇易霾┦亢笱芯康臋C(jī)會。

20世紀(jì)70年代，奧基夫發(fā)現(xiàn)了大鼠的海馬區(qū)中一種名為位置細(xì)胞的神經(jīng)元。只有動物位于某個特定地點時，這些細(xì)胞才會放電——比如，靠近運動滾輪或某扇門前。此后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了其他與位置有關(guān)的神經(jīng)元，有的在頭轉(zhuǎn)向某個特定方向時放電，還有的在看到某種邊界時放電，例如籠子的長邊。這一研究領(lǐng)域成了熱點，莫澤夫婦則希望能加深它的研究程度。

1996年，莫澤夫婦剛開始做博士后幾個月時，他們意外獲得了位于特隆赫姆的挪威科技大學(xué)的兩個副教授職位。他們不確定是否要接受：這意味著在遠(yuǎn)離世界主要科研中心，在家鄉(xiāng)一所小院校里單槍匹馬地開展研究。愛德華表示：“但在同一個地方、同一個研究領(lǐng)域能有兩個教職，實在很難拒絕。”于是他們回國了——還帶著一個小孩和一個嬰兒。

在特隆赫姆白手起家并不容易。他們只能在一個小小的地下室里從頭建設(shè)實驗室，同時還得備齊動物實驗相關(guān)的設(shè)施。不過幾年的工夫，他們就獲得了歐盟委員會和挪威研究理事會的大筆撥款。那時，他們也已經(jīng)陸續(xù)發(fā)表了一些科研成果。

大腦深處的網(wǎng)格

夫妻倆在特隆赫姆的第一個目標(biāo)是，更好地描述位置細(xì)胞接收到的信號來自何處。盡管細(xì)胞本身位于海馬區(qū)，但有可能是別處的某種細(xì)胞告訴它們何時放電。莫澤夫婦牢記本科實驗室的寶貴一課，很清楚他們必須掌握大腦的解剖學(xué)特征，才能弄清楚信號是如何在大腦中傳輸?shù)摹?/p>

他們在實驗室采用標(biāo)準(zhǔn)實驗技術(shù)來研究位置細(xì)胞：將電極直接植入大鼠的海馬區(qū)，讓大鼠在大盒子里隨意跑動（觀察大鼠的“空間感”），同時記錄信號。電極具有很高的靈敏度，能夠捕捉到單一神經(jīng)元的活動，然后將信號傳送至計算機(jī)，這樣就能看到每個神經(jīng)元放電時，大鼠在盒子中的具體位置。這些位置會在屏幕上顯示為黑點。為了確保大鼠跑遍盒子的所有位置，他們會在盒中各處放上巧克力。

莫澤夫婦用化學(xué)方式抑制了大鼠海馬區(qū)及其周圍區(qū)域的不同部位，隨后測試位置細(xì)胞是否還能正常放電。通過這種方式，他們發(fā)現(xiàn)信息從內(nèi)嗅皮層（一條從大鼠大腦后下部向上延伸的狹長組織）流動到了位置細(xì)胞。之前沒人注意過這個現(xiàn)象，主要是因為內(nèi)嗅皮層的位置很難接入電極。這條組織的一側(cè)非?？拷粋€很大的血腔，一旦刺穿就會致命。莫澤夫婦咨詢了一位神經(jīng)解剖專家，幸運的是，接入電極的最佳位置是遠(yuǎn)離血腔而靠近大腦表面的另一側(cè)。隨后他們開始了一系列實驗，記錄內(nèi)嗅皮層單個神經(jīng)元的信號。終于，有了意想不到的發(fā)現(xiàn)。

實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大鼠向盒子某個特定位置移動或經(jīng)過這一位置的時候，內(nèi)嗅皮層的一些神經(jīng)元就會放電，和海馬區(qū)的位置細(xì)胞一樣。但大鼠在其他一些位置時，內(nèi)嗅皮層的這些神經(jīng)元也會繼續(xù)放電。當(dāng)大鼠為吃光所有巧克力在盒中跑動時，計算機(jī)也在繪制放電位置示意圖，研究人員非常困惑地看到，屏幕上出現(xiàn)了一些彼此相聯(lián)的塊狀圖案。莫澤夫婦看出，這些塊狀圖案具有某種規(guī)律，但他們無法確定是什么。

他們花了幾個月才意識到，得讓大鼠在更大的盒子中跑動，這樣才能讓這些圖案展開，更容易看清。這之后，謎題終于揭開：是近乎完美的六邊形格子，和蜂巢一樣。起初，這讓他們難以相信，因為他們?nèi)f萬沒想到，竟會是這樣簡潔和規(guī)律的形狀——生物學(xué)現(xiàn)象通常比這復(fù)雜、混亂得多。隨后，他們接連排除了所有其他解釋，開始真正理解這部分大腦區(qū)域的運作機(jī)制。盒子的底面并不存在繪制好的六邊形圖案，這些形狀是在大鼠大腦中抽象存在，并投射到環(huán)境中的，所以，當(dāng)大鼠經(jīng)過六邊形的一個端點時，神經(jīng)元就會放電。這一發(fā)現(xiàn)比這種讓人著迷的圖案本身還要令人興奮。這正是他們長期以來嘗試探索的問題——大腦以這樣的方式，運用它獨有的語言對空間進(jìn)行描述。愛德華回憶說：“經(jīng)過長久的探索，我們終于迎來了興奮的時刻?！?005年，他們在《自然》雜志公布了這一發(fā)現(xiàn)。

背后的規(guī)律

莫澤夫婦很快就開始對網(wǎng)格細(xì)胞進(jìn)行實驗。結(jié)果表明，細(xì)胞的放電規(guī)律是具有持久性的，哪怕在黑暗中也是如此，而且與大鼠的速度或方向無關(guān)。但哪怕環(huán)境只發(fā)生了一點微小的改變，例如改變墻壁顏色，大鼠大腦中的細(xì)胞放電速度也會發(fā)生變化，但網(wǎng)格細(xì)胞的放電速度仍然維持不變。莫澤夫婦還發(fā)現(xiàn)，內(nèi)嗅皮層中的不同細(xì)胞會產(chǎn)生多種不同網(wǎng)格，就像彼此相聯(lián)的蜂巢格子，這些網(wǎng)格的大小、方向以及相對于盒子邊界的位置各有不同。他們最終意識到，大腦的網(wǎng)格細(xì)胞是根據(jù)某種精確的數(shù)學(xué)規(guī)律分布的。

內(nèi)嗅皮層頂部的細(xì)胞會生成間距較小且排列較緊密的網(wǎng)格，而生成較大網(wǎng)格的細(xì)胞則位于內(nèi)嗅皮層底部。不僅如此，網(wǎng)格間距的分布規(guī)律有精確的倍數(shù)關(guān)系。生成同樣大小和方向的網(wǎng)格的細(xì)胞似乎會聚集在一起，這些聚集在一起的細(xì)胞沿著內(nèi)嗅皮層逐步排列。而且，上下相鄰兩層細(xì)胞生成的網(wǎng)格大小，通常是固定比值——下層細(xì)胞生成的網(wǎng)格，總比上一層細(xì)胞的網(wǎng)格大1.4倍，層層如此。與此同時，可以表示相對位置（比如相對于盒子邊界的不同位置）的網(wǎng)格細(xì)胞則隨機(jī)分布在內(nèi)嗅皮層上。人類大腦中可能也存在類似的分布現(xiàn)象，也就是說，當(dāng)我們在不同房間或街道上行走時，這些細(xì)胞一直在我們意識不到的情況下持續(xù)地追蹤我們的位置。

莫澤夫婦的分工

這些發(fā)現(xiàn)使莫澤夫婦與一大批科學(xué)家、哲學(xué)家聯(lián)系起來——至少在古希臘時代，就有不少人開始思考大腦、記憶與位置之間的關(guān)系。那時，需要記住長篇演講稿的哲學(xué)家可能會記下一棟建筑或是一條街道的布局，并在腦海中將演講的不同部分與不同的景物關(guān)聯(lián)起來。他（那時的哲學(xué)家?guī)缀醵际悄腥耍┛梢栽诖竽X中回想建筑布局的同時，流利背誦出整篇演講，讓每處景物激活記憶中的相關(guān)部分。人們對記憶與位置間奇妙關(guān)聯(lián)的興趣一直延續(xù)到20世紀(jì)，行為科學(xué)家率先提出了動物在頭腦中攜有抽象空間地圖的假說。而這一切在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)胞的功能后，終于得到了證明。

這些發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家又驚又喜，因為六邊形是以最小數(shù)量的網(wǎng)格細(xì)胞獲得最高空間分辨率的最佳方案。這種方案非常節(jié)約能量，說明大腦在這方面具有極高的效率。德國慕尼黑大學(xué)的一位計算神經(jīng)學(xué)家安德烈亞斯·赫茨表示：“誰能想到大腦深處竟然隱藏著如此美麗的六邊形呢？大腦竟然會采用我們幾千年來在數(shù)學(xué)中描述的簡潔幾何圖形，這真是出乎意料?！彼f，這種美麗的簡潔給了科學(xué)家新的希望，也許整個大腦采用的都是科學(xué)家最終可以理解的計算原則。

理解大腦的運作機(jī)制可能還需要很長時間才能實現(xiàn)。因為，大腦用于表示世界其他方面的神經(jīng)編碼似乎不會這么簡單，一個神經(jīng)元可能會編碼數(shù)種不同的屬性，使大腦的其他“語言”難以解讀。網(wǎng)格編碼的價值還在于，它在大腦中的等級較高，不涉及直接輸入的感官信息。比如視覺皮層的神經(jīng)編碼就會受到照射在視網(wǎng)膜上的光線影響，但內(nèi)嗅皮層完全是通過整合大腦其他區(qū)域獲得的環(huán)境信息之后，才在內(nèi)部生成六邊形圖案的。

莫澤夫婦的實驗室發(fā)表了一篇又一篇影響深遠(yuǎn)的論文，他們的工作也吸引來很多人才和資金。神經(jīng)學(xué)家戴維·羅蘭在美國俄勒岡大學(xué)讀博士時，讀到了莫澤夫婦曾在2005年發(fā)表的有關(guān)網(wǎng)格細(xì)胞的論文，深受鼓舞?！拔矣X得實在太棒了，于是我立刻產(chǎn)生了要在他們的實驗室做第一個博士后研究的想法?！笔聦嵣希_蘭也確實實現(xiàn)了自己的想法，他加入了莫澤夫婦的特隆赫姆卡弗里研究所。該研究所現(xiàn)在又新增了6個研究組，分別研究神經(jīng)回路和編碼的不同方面。

不是每對夫妻都能輕而易舉地在工作中和諧共處。莫澤夫婦表示，他們之所以能做到，很大程度上是因為他們都比較有耐心，而且有共同的興趣——不僅是科學(xué)，還有其他愛好。兩人都熱愛戶外運動：梅-布里特隔天就要在海邊住宅附近的小山上跑步，而愛德華周末會去徒步。兩個人都對火山很著迷——所以他們才選擇在火山頂訂婚——而且也攀登過全世界許多著名的高山。

在工作時，兩人也摸索出了一些分工方式。愛德華主要負(fù)責(zé)計算和理論，而梅-布里特則管理實驗室、工作人員，還負(fù)責(zé)實驗。愛德華說：“我們各有所長。我們知道，把這些長處結(jié)合起來，就能大大提高研究效率，獲得更多成果。”他們平常只有一人去參加各種會議，這樣另外一人就可以留在實驗室。愛德華說：“很多人以為我們平常很容易產(chǎn)生矛盾，其實并非如此?！?/p>

莫澤夫婦和全世界開始研究網(wǎng)格細(xì)胞的其他實驗室都有很多問題有待解決?？茖W(xué)家還不清楚內(nèi)嗅皮層中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是如何生成網(wǎng)格的，也不清楚網(wǎng)格細(xì)胞、位置細(xì)胞和其他導(dǎo)航細(xì)胞生成的地圖如何整合，以便幫助動物從一個地方前往另一個地方的。這些問題需要更多數(shù)據(jù)，莫澤夫婦正在開展一系列實驗來收集這些數(shù)據(jù)。

他們還打算開展一項虛擬現(xiàn)實實驗，讓大鼠沿著一個靜置的球跑動，周圍環(huán)以屏幕，顯示不斷變化的環(huán)境，并記錄接入大鼠大腦的電極傳遞的信息。大鼠的頭部會被固定，這樣就可以首次實現(xiàn)將電極直接接入活動大鼠的單個神經(jīng)元，還能在電極上插入微小的鏡頭，研究人員可以借此在顯微鏡下實時觀察目標(biāo)神經(jīng)元的變化。這一實驗可以準(zhǔn)確地顯示出大鼠在虛擬空間中移動時，在特定時刻放電的神經(jīng)元究竟是哪一種。

在下一步研究中，莫澤夫婦主要想搞清網(wǎng)格細(xì)胞是如何接入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的，以及這一接入過程是在大鼠生命的哪個階段發(fā)生的。初期研究表明，網(wǎng)格系統(tǒng)是在動物出生三至四周后完全建立起來的，也就是說嬰兒——無論是人類還是大鼠——剛出生時，對自己的空間位置只有非常原始的感覺，這種感覺隨著大腦適應(yīng)這個世界的過程一起發(fā)育成型。莫澤夫婦還打算做另一項實驗，讓大鼠從一出生就生活在球面上，而非平面的籠子里，然后觀察大鼠大腦中的“六邊形圖案”會如何變化。在神經(jīng)編碼的抽象世界之外，網(wǎng)格細(xì)胞還有一個重要用途：理解記憶和失憶。阿爾茨海默病最先影響的大腦結(jié)構(gòu)就是內(nèi)嗅皮層，而且這種病的一個早期癥狀是迷路或產(chǎn)生迷路的感覺。莫澤夫婦認(rèn)為內(nèi)嗅皮層中的細(xì)胞可能有某種特性，使阿爾茨海默病在這一區(qū)域率先表現(xiàn)出來——他們希望其他科學(xué)家能夠開展研究解答這一謎題。

從特隆赫姆機(jī)場啟程的人都會在“著名的挪威人”展覽中看到這對夫婦的照片。其他13張照片都是運動員或藝術(shù)家的單人照。只有莫澤夫婦的照片上是兩位充滿智慧的科學(xué)家。