解讀2014諾貝爾生理醫學獎:你從哪兒來,要到哪兒去?

2021-01-12 澎湃新聞
擁有美英兩國國籍的科學家約翰·奧基夫、挪威科學家梅-布莉特·莫澤和丈夫愛德華·莫澤分享了2014年諾貝爾生理或醫學獎,他們獲獎的研究是「發現組成大腦定位系統的細胞」。

       

       2014年度諾貝爾獎首個獎項揭曉。

       北京時間10月6日,擁有美英兩國國籍的科學家約翰·奧基夫(John O´Keefe)和兩位挪威科學家梅-布莉特·莫澤(May‐Britt Moser)及愛德華·莫澤(Edvard Moser)分享了2014年諾貝爾生理或醫學獎。他們獲獎的原因是「發現組成大腦定位系統的細胞」。值得一提的是,後兩人成為第五對被授予諾貝爾獎的夫婦。

       諾貝爾生理或醫學獎頒獎詞稱該研究發現解決了一個困擾了哲學家們和科學家們幾個世紀的問題。

解密大腦GPS系統

       我們如何得知自己身處何地?我們如何找到一個地點到另一個地點的路線?我們如何儲存這些信息以便下次故地重遊時能立即回想起路線?

       2014年的諾貝爾獎生理學或醫學獲獎者給出了答案。他們發現了大腦中的定位系統,被稱為「內置GPS」,讓我們能夠在空間中找到方向,並實現定位,同時他們也從細胞層面上闡釋了這種高級認知功能的機制。

       中國科學院一位神經生物學博士告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn),獲獎的三位科學家發現大腦定位系統由三種細胞組成,它們分別執行「感知方向」、「計算距離」和「具體位置」的功能。該定位系統存在人類大腦的海馬區和內嗅皮層區域。

       這位博士解釋稱,該定位系統工作原理是在大腦中形成一個由腦細胞組成的地圖,通過對照,我們就能夠確定當前位置。當來到新環境中時,定位系統會用這些腦細胞繪製一份新地圖。但既然要對照,就需要記得整幅地圖。否則,就難以定位,會迷路。所以,該研究也解釋了阿爾茲海默症患者為什麼會出現空間迷失,有助於解決這一病症。

前後研究超過四十年

       20世紀60年代末,約翰·奧基夫非常關注「大腦如何控制行為,並如何進行決策」,他試圖用神經生理學的研究來解答這些問題。1971年,約翰·奧基夫率先發現了大腦定位系統的第一個成分。他讓大鼠在屋內自由跑動,同時用電極記錄這隻大鼠大腦的海馬細胞的電信號。奧基夫發現,大鼠處於房間的不同位置,其大腦海馬中不同位置的神經細胞「興奮」、有電信號、被激活。奧基夫認為,海馬中的不同神經細胞與房間的每個具體位置一一對應,特定位置只能「激活」特定的神經細胞。「這些神經細胞的活性構成了一副地圖。」他這樣總結道,通過在不同環境中被激活的不同的位置細胞,海馬體能生成很多地圖。因此,關於環境的記憶以位置細胞的「活性的特定組合」的形式存儲在海馬體中。

       在30年後的2005年,梅-布莉特·莫澤和愛德華·莫澤發現了大腦定位系統的另一個關鍵的成分。他們實驗中,大鼠大腦內嗅皮層的一些細胞只有在它們經過特定地點時才會被「激活」,而這些地點組成六邊形的網格,因此,被激活的細胞被稱為「網格細胞」,進一步的研究發現,網格細胞的存在,使精確定位和空間導航成為可能。內嗅皮層中還有能夠識別大鼠頭的朝向、房間邊界的細胞。它們一同組成了大腦內置GPS。他們發現了另一種神經細胞,稱其為「網格細胞(grid cells)」,它通過建立一個坐標系統來精確的定位和指路。他們接下來的研究顯示了位置細胞和網格細胞是如何實現定位和導航的。

       三人的發現解決了一個困擾了哲學家們和科學家們幾個世紀的問題——大腦是如何創建我們周圍的空間地圖的?我們如何在複雜的環境中給自己導航?

三位獲獎者曾在同一實驗室工作

       奧基夫1939年在美國紐約出生,擁有美國和英國雙重國籍。1967年,他在加拿大麥吉爾大學獲得生理心理學博士學位。之後,他到英國倫敦大學學院進行博士後訓練,留校後於1987年被任命為認知神經科學的教授。目前,奧基夫是英國倫敦大學學院神經迴路和行為研究方向塞恩斯伯裡·威康(Sainsbury Wellcome)中心的主任。

       梅-布莉特·莫澤1963年出生於挪威。她在挪威奧斯陸大學,與未來的丈夫,也是此次共同獲獎人愛德華·莫澤一起學習心理學。她在1995年獲得神經生理學博士學位。在1996年搬去特隆赫姆挪威科技大學前,她曾是英國愛丁堡大學的博士後和倫敦大學學院的訪問學者。2000年,她被任命為神經科學教授,目前是特隆赫姆的神經計算中心主任。

       愛德華·莫澤1962年出生於挪威,目前是挪威公民。1995年他在奧斯陸大學獲得神經生理學博士學位。他和妻子一起攻讀博士後,先在愛丁堡大學、後在約翰·奧基夫的實驗室當訪問學者。1996年他們搬到了挪威科技大學,1998年愛德華·莫澤在那成為了教授。他現在是特隆赫姆的卡夫利研究所(Kavli Institute)的主任,負責系統神經科學方向的研究。

諾獎重要性有爭議

        中科院的這位神經生物學博士表示,學術界對該發現榮獲諾貝爾獎有一定爭議,因為同等重要的發現還有不少。

       此外,GPS系統最初是在大鼠大腦中發現的,雖然通過對癲癇病人的研究,也在人的大腦中發現了類似的系統,但關於人的研究工作不多。之所以不多的原因是,海馬位於大腦深處,而且同時執行記憶等重要功能,一旦損傷,將影響更多生命活動,因此研究需要非常謹慎。

       爭議的另一原因是,目前發現的GPS系統的機制不夠清楚,為什麼能執行這一功能,解釋還不透徹。因為其中的多數發現是「相關性」的結論,不是因果。這些結論是通過記錄大鼠大腦細胞的電活動,同時觀察大鼠的行為變化得出的關聯。

       而對於GPS系統中的三種細胞如果一種損傷,系統會出現什麼病變,研究較少,因為這樣特異殺傷一種細胞或單個細胞後進行研究的技術還沒有。

【新聞連結】

207人獲諾貝爾生理或醫學獎,其中11位女科學家

       1901年至2014年的114年間,諾貝爾生理或醫學獎共頒發105次,207位科學家獲獎。其中32次,兩人同時獲獎;35次,三人同時獲獎;38次,一位科學家獨享。

       目前只有11位女性獲得過諾貝生理或醫學獎,其中只有一位女性——芭芭拉·麥克林託克獨享一屆諾貝生理或醫學獎,其他都是與他人共同獲得。

       這11位女性諾貝爾生理學或醫學獎獲得者除了2014年的梅-布莉特·莫澤,還包括:

       因對糖代謝的研究,1947年,出生在捷克的蓋蒂·科裡與丈夫卡爾·斐迪南·科裡以及阿根廷生理學家伯納多·阿伯託·胡賽分享諾貝爾生理或醫學獎(簡稱「諾獎」)。

       因對肽激素的免疫放射性方法的研究,1977年,美國醫學物理學家羅莎琳·薩斯曼·耶洛與另外兩位科學家獲得當年的諾獎,她個人獲得一半的獎金。

       因對基因中轉座子的研究, 1983年,美國科學家芭芭拉·麥克林託克獲得諾獎。因對生長因子的研究,1986年,義大利神經生物學家麗塔·列維·蒙塔爾奇尼與同事分享諾獎。

       因對藥物治療原則的研究,1988年, 美國生化學家和藥理學家格特魯德·B·埃利恩與兩位科學家分享諾獎。

       因對胚胎發育基因調控的研究,1995年,德國生物學家克裡斯汀·紐斯林·沃爾哈德與兩位科學家分享諾獎。

       因對嗅覺系統和氣味受體的研究,2004年,美國生物學家琳達·B·巴克與另一位科學家分享諾獎。

       因發現導致女性宮頸癌的病毒,2008年,法國病毒學家弗朗索瓦絲·巴爾·西諾西與兩位科學家分享諾獎。

       因對保護染色體末端的端粒和端粒酶的研究,2009年,伊莉莎白·布萊克本和卡蘿爾·W·格雷德與一位科學家分享諾獎。

       有9年時間,諾貝爾獎未頒發。第一次世界大戰導致1915-1918年的諾獎停止頒發,第二次世界大戰導致1940-1942年的諾獎停止頒發。此外,因為沒有合格的候選人,1921年和1925年的諾獎沒有頒發。

       1939年,德國病理學家、細菌學家格哈德·多馬克被授予諾貝爾生理或醫學獎,但希特勒迫使他放棄領獎。

       目前所有諾貝生理或醫學獎得主的平均年齡是58歲,他們生日最多的是5月21日或2月28日。

       1923年,德國醫學科學家班廷32歲,他因對胰島素的研究,與出生在蘇格蘭的生物化學家、生理學家麥克勞德分享當年的諾獎。班廷是目前最年輕的諾貝爾生理或醫學獎得主。

       最年長的生理或醫學獎得主是美國病理學家弗朗西斯·佩頓·勞斯,1966年,他87歲時獲得諾貝爾生理或醫學獎,他因發現導致腫瘤的病毒而與發現前列腺癌的激素療法的查爾斯·布蘭頓·哈金斯分享該獎項。

       

       (參考諾貝爾獎委員會官方新聞稿)

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