他們是如何拿到諾獎的——來自諾獎實驗室的內部報告

　　剛獲得諾貝爾生理或醫學獎的Moser夫婦的實驗室中，有一對中國夫婦——張生家和葉菁，他們與Moser夫婦已經合作了五六年的時間，并在此次獲諾貝爾獎的工作中，做出了重要貢獻。

張生家、葉菁夫婦與Moser夫婦合影

　　在本屆諾貝爾生理或醫學獎頒布的當天，賽先生聯系了張生家夫婦表示祝賀，在談話中張生家介紹了獲獎工作的內幕、細節、研究前景和未來方向，并給中國讀者介紹了 Moser夫婦為人、治學的風格，以及在獲獎后，整個團隊的感受與反響。

　　賽先生：剛剛宣布的諾貝爾生理或醫學獎給了你在挪威科技大學的博士后導師Moser夫婦和UCL的O'Keefe教授，因為他們的研究發現了大腦中的"GPS"，也就是所謂的空間定位系統。這里提到的位置細胞(Place Cell)和網格細胞(Grid Cell) 是怎樣的神經細胞，在大腦什么部位，主要功能是什么？

　　張生家：大腦的"GPS", 即空間定位系統，是由一類在功能上相關且互補的特殊的空間細胞組成，包括位置細胞，網格細胞，頭方向細胞和邊界細胞。其中位置細胞是由英國UCL的John O’Keefe教授在1971年最先發表在Brain Research雜志上。位置細胞只在某一特殊環境中特定的位置被激活，產生放電效應，大部位置細胞存在于海馬體（腦內一個形狀像海馬的結構）中。位置細胞的發現首次證明了由UC Berkeley 的Edward Tolman 教授在1948年提出的大腦存在空間認知圖譜這一假說。

　　在發現位置細胞31年以后，Moser教授夫婦于2005年在Nature雜志上報道了另一類重要的空間定位細胞，即網格細胞。網格細胞同樣具有對位置選擇性的放電效應, 但不同于單一放電的位置細胞，網格細胞的放電模式是有規則地均勻排布在整個空間環境，像晶體一樣構成了一個個正六邊形的點陣。 網格細胞最先發現在內嗅皮層，隨后在下托Subiculum和傍下托Parasubiculum也同樣發現有網格細胞的存在。網格細胞構成大腦空間定位的坐標系統，使大腦能夠精確定位，完成空間導航的功能。

　　由位置細胞組成的海馬圖譜和由網格細胞組成的內嗅皮層圖譜對空間位置的記憶，存儲和提取起到了關鍵作用，形成了我們大腦的內置GPS。

　　賽先生：你在Moser夫婦實驗室工作多年，能給我們介紹一下他們發現網格細胞的故事嗎？

　　張生家：Moser夫婦首先在挪威Oslo大學Per Andersen教授的實驗室完成電生理和神經解剖方面的博士論文研究，繼而在英國愛丁堡大學Richard Morris教授實驗室和UCL大學John O'Keefe教授實驗室完成了博士后研究工作。1996年，Moser夫婦在挪威科技大學組建了他們自己的實驗室。當時，他們就對位置細胞是如何起源和計算方位這一問題產生了濃厚的興趣。于是，他們做了一個非常著名的實驗，就是用傳統的Pharmacological Lesion （藥物損毀）讓海馬的中的一個亞區CA3失活，看能否記錄到與之有直接聯系的另一個亞區CA1的位置細胞的位置性激活。令他們驚訝的是，切斷海馬的CA3亞區之后，他們還能在海馬CA1亞區記錄到位置細胞。這個有趣的發現，讓他們想到CA1位置細胞可能起源于海馬以外的相臨區域。

　　由于他們熟悉Per Andersen海馬——內嗅層的Tri－Synaptic Pathway的理論，所以他們決定尋找存在于海馬以外的空間定位細胞。因為內嗅皮層和位置細胞最豐富的CA1亞區有直接的投射關系，他們決定將電極首先植入內嗅皮層。經過多年的嘗試，他們有幸記錄到了另一類特殊的多點放電的位置細胞。他們開始不太相信這一奇妙的結果，總以為是系統噪音造成的。但是經過多次反復實驗，最終確認了這是一類新型的空間定位細胞。這一結果發表在2004年的科學雜志上。但當時他們并沒有對這一特定的放電模式進行精細的計算分析，也沒有聯想到這是一種有規律的網格細胞。

　　當他們的工作以大字報形式報告在2004年的神經科學年會時，正好被Johns Hopkins大學的計算神經學家Skaggs博士看到。他發現這一放電模式很特別，建議Moser夫婦看看此類細胞的放電位置是否形成正六邊形的放電布陣。Moser夫婦回來后，系統地分析了他們所有的原始數據，進而首次提出用網格細胞來命名這個奇特的新型細胞。他們在2005年的自然雜志上系統的報道了網格細胞的多種放電特性，包括網格大小，網格間距和網格朝向，確立了網格細胞的存在和特異性。

　　賽先生：你和你的夫人葉菁博士最近和Moser夫婦合作的工作，試圖揭示這些細胞組成的神經環路，能說說這方面的最新進展嗎？

　　張生家：我和我的夫人葉菁博士，于2008年受Moser夫婦邀請負責籌建他們研究中心的第一個分子生物學實驗室。我們組建了一個四人團隊，包括兩名本科畢業于北京大學的博士研究生。我們當時的目標是籌建一個全新的分子生物學和傳統電生理相結合的研究平臺，試圖解決各類空間定位細胞之間的關系。我們首次將光遺傳學引入到經典的體內電生理學，主要通過反向病毒標記法來標記兩個不同功能的區域，用來解析傳統電生理學無法解析的兩個空間位置圖譜之間的關聯。

　　我們用了將近4年的時間，來解決如何將光學遺傳學和傳統電生理學相結合這一大難題。最開始用常規的電極來穩定記錄自由移動的動物腦內所發出的放電信號具有相當的難度，當我們將光導纖維與電極合成為一體來記錄電信號時，難度更是加劇，這也是我們當時所面臨的最大挑戰。所以我們花了很多時間在手術植入電極，光導纖維導入，信號收集記錄方面。接著就是如何將光學遺傳學、體內電信號記錄及神經元細胞特異性遺傳標記有機結合起來。我們首次利用檢測激活光敏感通道－2（ChR2）產生的放電延遲時間來確定海馬和內嗅皮層直接和間接的投射關系。可以說，我們的工作進一步地證明了這次獲獎的John O'Keefe發現的位置細胞的主要信號來源于Moser夫婦發現的網格細胞，也拓展和豐富了計算神經的單一理論模型。我們的工作以14頁的增強版研究論文在“科學（Science）“雜志上發表，并被評為2013神經科學領域年度最好（佳）的兩篇研究論文之一。我們所建立的光學遺傳學和體內電生理相結合的方法也為今后在分子層面上區解析神經環路提供了一個可靠的平臺。

　　賽先生：人老了健忘，特別是不記路，不少得了老年癡呆的人經常迷路回不了家。這種現象和大腦中的空間定位系統有關系嗎？你覺得他們的發現能夠幫助哪些容易迷路的人們嗎？

　　張生家：老年癡呆癥與腦內空間記憶環路的關系非常密切。現已有大量臨床數據顯示，老年癡呆癥中最容易受損害和最早死亡的區域是網格細胞的發源地——大腦的內嗅皮層。正如這次諾貝爾委員會在介紹這次生理學或醫學獎的獲獎原因時提到，弄清楚空間定位系統分子機制將會對開發治療老年癡呆癥的藥物有前驅性的幫助。我們將來的工作也將會用到網絡基因治療手段，來試圖修復、延緩或阻止那些即將要死去的網格細胞，這應該是一種全新的治療方法。

　　賽先生：聽說你和夫人都要回到清華大學繼續你們的神經科學研究，你對未來的研究有什么樣的期待和展望？

　　張生家：發現位置細胞和網格細胞是空間記憶研究的一個里程碑的工作。但是到目前為止，各種空間細胞是如何產生及相互合作的，尤其是它們的分子機制的研究幾乎無人涉及。我們計劃借助我們從Moser夫婦那里所學到的在體電生理技術，結合我們多年的在分子生物學方面的研究經驗，再通過清華大學超強的完整的現代分子學平臺，我們將專注于主要從分子層面上揭示空間定位系統的分子機制和遺傳基礎。

　　賽先生：今年的諾貝爾生理或醫學獎頒布后，你們實驗室和學校一定很激動。談談今天你們是怎么慶祝這個非同尋常的日子的？

　　張生家：Moser夫婦是Nobel歷史上第5對得到諾貝爾獎的夫妻搭檔，他們也應該是挪威的英雄和驕傲。根據我們這幾年在挪威的生活經驗，挪威人和我們中國人一樣都非常熱愛自己的國家。當這一獎項公布后，全世界的媒體都在采訪和報道這一挪威科技史上的里程碑。這幾天來，我們研究中心、醫學院及整個大學都舉行了盛大的慶祝會。由于得獎當天，Edvard Moser在德國慕尼黑出差，他于當地時間10月7號下午5點才抵達我們所在的城市機場，當時我們整個中心的工作人員包車都去機場迎接他的歸來。在他乘坐的飛機下落的時刻，機場使用到水幕儀式，這是一種最高的迎接規格，這可是只有國家的元首才能夠享受到最高禮遇。因為他們夫婦是挪威歷史上第一次獲得諾貝爾生理醫學獎的挪威科學家，幾天來我們這個中心收到挪威其它業界的鮮花和慶功邀請。

　　賽先生：任何科學發現都有一定的歷史傳承。可否談談Moser夫婦是如何受教育和訓練（研究生, 博士后, 等），又是如何逐步發展他們自己獨特的研究方向和路線的？

　　張生家：Moser夫婦的行事風格猶如我們中國人所強調的讀萬卷書行萬里路。他們在世界著名的Per Andersen實驗室接受過非常系統的傳統電生理和神經解剖學的訓練。他們又到英國愛丁堡大學Richard Morris實驗室學習了空間記憶的行為學。隨后他們到UCL的John O'Keefe實驗室學習體內電生理記錄，之后又到了美國University of Arizona，從Bruce McNaughton實驗室學習多通道電生理記錄。所有這些技術訓練和研究積累，為他們之后的科學發現和今年榮獲諾獎奠定了可貴的基礎。

　　賽先生：網格細胞的發現過程中，遇到過那些問題或困難？那些是最關鍵的突破？有哪些關鍵的思想或技術幫助實現了這個突破？

　　張生家：在網格細胞的發現過程中，最主要的難點還是動物腦內精準的體內電極定位和穩定的體內細胞電信號記錄兩方面。因為在動物臨床手術中，我們需要內置一根或者多根電極，而電極所要植入的位置靠近顱內一根動脈大血管，如稍有不慎，就容易導致動物顱內大出血而死亡。此外內置的電極還經常被血塊粘住，從而影響信號記錄和收集或導致電極無法前后推進。同時，由于動物個體間的差異，準確放置電極在內嗅皮層的特定層面，也是個巨大的挑戰。此外，其它因素，例如動物的行為控制、所處的環境和電生理數據的采集和分析也同樣至關重要，所以需要對整個體系的各個方面都有嚴格標準。于是有很多新來的科研人員，最開始都記錄不到網格細胞，甚至懷疑網格細胞的存在。有人甚至調侃，是不是可以發表一篇網格細胞不存在的文章。這也從側面反應了記錄網格細胞的難度。

　　賽先生：網格細胞的發現比位置細胞在概念上又有何突破？在整個神經生物學中又有何重大意義？

　　張生家：位置細胞只是對某一特定環境中的特定位置產生單點放電，而有規則的多點放電的網格細胞能反映出全局的整體環境空間信息。網格細胞能將與空間相關的距離、速度及方向以“路徑整合”（path integration）的方式記錄下來。同時網格細胞不象位置細胞會受到所處環境的影響。網格細胞的放電模式所構成的這種簡潔規則的六邊形點陣圖譜應該是哺乳動物大腦進化史上的一個奇跡。研究我們人類如何記錄和提取與空間記憶相關的信息也是我們研究記憶形成機制的基石。尤其，網格細胞獨特的放電模式的運用為我們研究記憶的形成提供了一個既好卻又簡單的平臺。因為到目前為止，在所有大腦皮質中，還沒有找到像海馬—內嗅皮層這樣成熟的神經回路，它們對外部的空間的計算是完全由一類彼此不相關聯的特異性細胞組成。

　　賽先生：作為科學大師，Moser夫婦在研究風格上有何特色？兩人之間又有什么差別？研究方法上有什么獨到之處？世界上研究空間定位的人很多，歷史也很長。為什么別人沒有做出來呢？

　　張生家：從我們自己的觀察，他們有著非常系統的分工，同時又密切合作。May－Britt管理實驗室的具體運轉，Edvard主要專注于科學問題的提煉方面，但他們又經常交換意見和互換角色。他們非常有戰略眼光，在光學遺傳學興起以來，他們很快就決定將光學遺傳學相關技術引入到傳統電生理學。在我們負責籌建分子實驗室時，把分子技術引入他們的電生理領域時給予了完全的信任和百分百的支持，同意從外面帶來一個四人的團隊。他們對我們感受和要求都非常地關心，記得我有次抱怨郵寄生物材料的一家快遞公司時，他們第二天就通知秘書幫我申請了一個更好的快遞公司帳號。同時他們還非常勤奮，即使在挪威這種高福利高享受的國度，他們依然堅持周末都至少一天加班。通常我們寫出去的電子郵件，大都在5－10分鐘之內得到他的回復，即使是晚上12點過后。

　　據Moser教授夫婦介紹，現今世界上大部分研究大腦空間定位系統的科學家們大都將電極植入內嗅皮層太靠近或者太遠離海馬體的區間層，成而找不到理想的細胞。正所謂差之毫厘，失之千里。就是因為Moser夫婦的敢于挑戰，將電極植入了內嗅皮層的一個很難以抵達到的區間層，他們才找到了網格細胞。正如買房子一樣， Location，Location，Location，選對了一個很好的區域，你才能發掘到獨特的大金礦。

　　賽先生：你認為Moser夫婦最突出，最為出色的是那些方面？你從他們身上學到了什么？

　　張生家：Moser夫婦相信每個學生，認為每個學生都有自己的特點和長處。他們給學生很大的自由度和相對寬松的環境，讓大家都憑興趣做事情。他們非常慷慨，對所有來訪者都非常客氣和照顧。

　　在我們籌建清華大學新的實驗室過程中，他們也承諾給我們很多支持幫助，包括贈送我們一些儀器和試劑。Moser夫婦經常告訴我們，自然科學也是社會科學，要學會協調周圍所有的不同文化背景下的科學家。

　　賽先生：挪威不是科學最先進的地方，為什么如此重要的工作會在這里做出來？你們實驗室/研究所的學術氛圍怎樣？有什么特別的地方？

　　張生家：挪威在其他科學領域里雖然并不很強，但是在神經科學領域卻是非常突出。Moser夫婦的博士生導師——Per Andersen教授，也是LTP的發現者，我認為這也是Nobel級別的工作。我們實驗室的氣氛比較和諧，不存在惡性的內部競爭，大家經常毫無保留的探討實驗過程中碰到的問題，相互交流意見，共同進步。挪威高福利的環境，比較能讓人靜下心來做些原創性的工作，也不用為科研經費發愁。在他們實驗室開張的頭六年中，他們的經費也不寬裕，實驗室的空間比較緊張，大部分的實驗室都臨時建在地下室。 后來在2002年他們從挪威政府爭取到了一個卓越研究中心的10年穩定資助，這才為他們發掘原創性的重大科學問題，提供了強有力的經濟保障。

　　賽先生：你們實驗室還有什么比較特別的做法值得借鑒？

　　張生家：大體上，我們實驗室同其他生物醫學實驗室并無多大差別，一般也會有每周定期的小組討論會和導師單獨面對面討論。如果說有什么特色的地方，那應該是實驗室的整體目標從不追求數量，而是力爭質量，只做對今后有巨大影響的工作。實驗室的傳統是只有在Science、Nature和Cell三種頂尖雜志上發表文章了才開香檳慶祝。一般招進來的博士學生和博士后都會有相當優厚的資助。同時實驗室會給每個研究學習的人自主獨立的發展空間。

　　賽先生：Moser夫婦有什么特別的地方？在培養學生方面是怎么做的？

　　張生家：Moser夫婦崇尚具有挪威風格的學生放養政策，讓每個學生按照自己的興趣自由發展，培養每個學生獨特的個性，引導學生獨立自主的科研探索。但是他們也不是無原則的放任自由。他們曾經告訴我，對我指導的博士生不應有過多的承諾，讓他們用于承擔責任，接受挑戰，面對困難。

　　他們曾經到過中國多次，經常和我聊到中國的許多傳統文化。他們非常喜歡中國的長城、京劇和收集不同的茶葉。正如我們先賢所言：寧靜而致遠。Moser夫婦強調在做研究時需靜下心來,他們平時也很注重養生之道，經常提醒我們要勞逸結合。

　　編注：張生家和葉菁博士分別從德國海德堡大學獲得神經生物學和在德國癌癥研究中心獲得分子和細胞生物學博士學位。自2008年起，他們夫婦二人師從世界著名電生理學家Moser夫婦從事體內電生理方面的博士后工作，并負責籌建Kavli研究所的第一個分子生物學實驗室。張生家博士于2010年被提升為課題組長，致力于空間定位系統分子機制的研究。他們首次將光學遺傳學和嗜病毒特異性標記引入在體電生理紀錄，成功揭示了位置細胞空間定位圖譜是如何同內嗅皮層中的各類空間細胞協同作用而編碼空間記憶的。此工作于2013年以增強版長篇論文形式發表在科學雜志上，并被評為年度神經科學領域兩篇最佳論文之一。