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什么是一流的科学研究?
--千禧年的诺贝尔奖,神经科学大师坎德尔

什么是一流的科学研究? --千禧年的诺贝尔奖,神经科学大师坎德尔

文 / @溪武七


2000年,埃里克·坎德尔(Eric Kandel)因为其卓越的研究第一次阐明了记忆相关的突触效能的改变,以及其中涉及的分子机制,与好友保罗·格林加德以及阿尔维德·卡尔森分享了当年的诺贝尔生理学或医学奖。

12月10日,在斯德哥尔摩音乐厅举行的典礼上,瑞典王室以及高官们庄重吟唱完王室圣歌,国王卡尔十六世古斯塔夫亲自与坎德尔握手,颁发给他装着奖章的精致皮盒以及荣誉证书。

“...最后,Eric Kandel的工作向我们展示了这些神经递质是如何通过第二信使和蛋白质的磷酸化来形成短时和长时记忆,而记忆奠定了我们在世界中生存和相互交流的基础...”

斯德哥尔摩交响乐团美妙的旋律回旋在喜庆的大厅中,坎德尔或许依旧会想起62年前那个难以忘怀的生日。9岁生日那天,父母送了一份坎德尔梦寐以求的生日礼物——电动遥控汽车模型。然而欢乐时光只有短短两天,一阵惊心动魄的敲门声改变了一切,两个纳粹警察将他们一家赶出公寓,寄住在几个街区外的一户陌生人家,同时他们的父亲也被捕入狱。这便是纳粹史上有名的“水晶玻璃之夜”,标志着纳粹对犹太人有组织的屠杀的开始。那些充满担忧与焦虑的日子,自此深深刻入了坎德尔的脑海中。

逃离纳粹控制下的维也纳之后,坎德尔一家来到了美国。

在这里坎德尔顺利读完初中高中,并被哈佛大学以奖学金录取。然而,直至此时,坎德尔的兴趣与专业竟然是欧洲历史与文学!

来自大神的嘲讽


一切的转折点出现在他的大一快结束的时候。这时他认识了他的第一任女友,Anna Kris,两人因为对德国文学的巨大热情迅速开始交往,并很快见了Anna的父母Kris夫妇,两位知名的弗洛伊德派精神分析学者。不久以后,坎德尔的导师Vietor因为癌症不幸去世,并使得坎德尔的课程计划出现了很大空白。这时命运的列车开始转向,与Kris夫妇的频繁来往燃起了他对精神分析的极大热情。而此时的50年代,正是美国的年轻人们对精神分析产生狂热与痴迷的年代。精神分析学派的理论第一次使人们了解了人类行为的复杂性及其背后的动机。

哈佛大学的开放氛围以及Vietor的去世,使得此时重新立志成为精神分析学者的坎德尔得以冲动地开始修化学、生物等进入医学院成为精神医师的相关必备课程,并在1952年顺利进入纽约大学医学院。

一年后他与异地恋的正在剑桥读书的Anna分手。而这一年,一个瘦高的年轻人兴奋地冲进剑桥的Eagle酒馆(The Eagle Cambridge),向众人宣布他和一位朋友发现了DNA的双螺旋结构。同样在这一年,离坎德尔80里外的康涅狄格州,大名鼎鼎的H.M (Henry Molaison)的癫痫病严重恶化,他的双侧海马被痴迷于获得过诺奖的前脑叶白质切除术(神经科学的黑历史)的斯考维勒医生(Dr. Scovil)摘除。

又过了两年,坎德尔认识了支持他一生事业的——他后来的的妻子Denise Bystryn。在婚后坎德尔开始为两人都没有经济来源而担忧并打算找个工作时,Denise拍了桌子一下,并说,“金钱是没有意义的。”她经常鼓励坎德尔大胆做一些新颖的原创性研究。

Kandel夫妇:每一个成功的男人背后都有一个伟大的女人


自此,坎德尔的大神之路正式开启。

在医学院期间,坎德尔看到了Kuffler的关于螯虾单个神经细胞以及树突的工作。联想到Hodgkin和Huxley的关于乌贼巨大轴突的工作,以及Katz对于乌贼巨大突触的研究,坎德尔接受了导师的意见,“每次一个细胞”,开始着手使用螯虾虾大轴突的简单系统作为起点,来研究他感兴趣的关于弗洛伊德人格意识的生理结构基础。他意识到,选择一个合适的实验系统是一个生物学家做出的最重要的决定。

他开始制作玻璃电极并将其插入螯虾轴突中,将放大器输出和扩音器相连之后,坎德尔听到了动作电位的奇妙噼啪声。“我正在倾听我的螯虾埋藏得很深的思想!

坎德尔随后进入了美国国家心理健康研究所(NIMH),并读到了Scoville和Milner共同报道的H.M的故事。双侧海马被切除的亨利,再也不能将短时记忆转化为长时记忆。护士才刚把名字告诉亨利,随后离开几分钟,亨利马上就不记得对方。他认得自己母亲,但手术之后才认识的人、知道的事,没多久就忘光了。50年后,亨利还是这样。他母亲于1960年代过世,但亨利每次听到别人提起这件事,他都以为母亲才刚过世,一再失声痛哭。但亨利对于科学的贡献是无比巨大的,从此人们知道了记忆在大脑中储存的区域以及外显记忆(陈述性记忆)和内隐记忆(程序性记忆)的区别。

亨利

于是,坎德尔将研究兴趣转到记忆在大脑中如何储存上。

他提出了两个问题:当我们学习的时候,大脑中发生了什么变化?

一旦一种知识被学到,这些信息如何被保存在大脑中?

在对猫的海马体进行了一系列成功的研究之后,坎德尔意识到要研究学习与记忆在海马体的复杂网络中的储存是一项非常困难的工作,他将目光转向了简单的无脊椎动物。

在NIMH工作期间,他得以与大量到这里访问的优秀脑科学家交流并参加各种研讨会。从这些研讨会中,坎德尔第一次了解到海兔(Aplysia)这种可爱而神奇的动物:由少量的脑神经控制着几个简单条件反射,并且具有巨大的裸眼可见的神经细胞。惊人完美的研究对象!

凶猛的(?)海兔君即将斩获诺奖!(^-^)V


喵喵喵?听说有人说我们凶猛(`・ω・´)


坎德尔决定利用海兔进行学习记忆的的还原论研究--使用最简单的海兔的神经细胞而不是整个动物。这在当时与主流意见是严重偏离的,当时许多优秀的科学家都认为学习不可能发生在固定的神经回路里,孤立神经元不可能储存真正意义上的记忆信息。

相信自己的直觉的坎德尔默默分离出了海兔的腹神经节细胞,并尝试研究巴甫洛夫的三种学习方案:习惯化(habituation)敏感化(sensitization)以及经典条件反射(classical conditioning)。没有让坎德尔失望的是,这些实验有力地证明了神经突触强度在学习中确确实实发生了变化。对重复弱电流刺激的习惯化,使得突触反应强度下降;对强刺激导致的其他突触的增强形成了敏感化;作为预警的弱刺激就像巴甫洛夫的狗铃铛一样,大大增强了之后的细胞对偶联强刺激的反应程度。这些离体神经元就和巴甫洛夫的狗一样!

巴甫洛夫的条件反射实验

利用这些裸眼可见的简单神经,坎德尔巧妙证明了突触强度不是一成不变的,它能够被不同的刺激组合形式改变。

这段时间,利用乌贼巨大轴突研究神经元的Hodgkin和Huxley获得了诺奖,坎德尔兴奋地告诉同事:我认为学习真的是一个重要的科学问题,但现在没什么人搞,谁解决了这个问题,谁就有可能获得诺贝尔奖!(一语中的╮(╯▽╰)╭)

紧接着坎德尔认为自己应该在活体动物中,直接证明学习能够改变突触联系的效能。通过对海兔大量行为的详尽观察分类,他锁定了最可能被学习调控的也是最简单的只有一个神经节支配的行为--缩鳃反射(gill-withdrawal reflex)

缩鳃反射的简单模式图:感觉神经元感受来自虹管皮肤的刺激

并直接与运动神经元形成突触,产生缩腮反射。

在对海兔的缩鳃反射的研究中,坎德尔证明了短时记忆产生的分子机制,如下图:由突触前膜释放的5-HT(5-羟色胺)作为第一信使,经由G蛋白偶联受体,催化ATP(腺嘌呤核糖核苷酸)环化成为cAMP,并进一步激活PKA(蛋白激酶A),从而关闭特异性钾离子通道S通道,产生慢突触后膜电位,使得数分钟的短时记忆成为可能。也就是说,刺激使突触产生了一连串的生化事件,短时记忆来自于持续几分钟的慢突触电位。

短时记忆产生的分子机制

由沃森和克里克开启的分子生物学的时代,在这时已经有了一系列重大突破。乘胜追击的坎德尔利用这些重大突破,进一步阐明了长时记忆的分子机制,如下图:反复刺激产生的5-HT使得PKA(蛋白激酶A)向细胞核内转移,在核内激活一种称为CREB(环磷腺苷效应元件结合蛋白)的调节蛋白,CREB开启特殊的基因,产生编码着建立新的突触的蛋白的mRNA,并运送至突触末梢,与朊蛋白样的CPEB蛋白(胞浆多腺苷化序列元件绑定蛋白)结合,(类似朊蛋白的特性,使得活化的CPEB不断地得以改变周围的无活性CPEB,在自我降解的同时不断自我复制保持数量,这种特性非常适合储存记忆),mRNA与CPEB结合后得以活化并在突触末梢不断合成新的蛋白,强化已有突触并生长出新的突触,产生长时记忆。简单地说,在CREB与CPEB两种神奇蛋白的作用下,强化的神经元长出新的突触,这就是长时记忆的基础。

长时记忆的分子机制(复杂?看不懂?这就对了,不然怎么拿诺奖╮(╯▽╰)╭)


CREB的发现堪称心理学一大盛事。它让各界学者首度窥见永久记忆如何形成。这也意味着人类心灵或许可任人摆布,超乎前人所能想像。当年42岁的基因科学家特利(Tim Tully)得知坎德尔发现CREB后,相当振奋。他尝试改造果蝇基因,使其大量分泌CREB,因此造就了昆虫界的天才:记性绝佳的果蝇。一般果蝇不管学什么,至少需要10次训练,才学得起来。特利的果绳只需一次训练即可学会某项任务。特利和坎德尔处于竞争态势,海兔与果蝇的对决。几年之后,坎德尔培养出用CREB强化改良的海兔。这些海兔竟然记得起周遭贝壳的螺旋花纹、珊瑚礁的颜色、成对相关的事物、笼子角落的食物,这实在令人难以置信。

许多年以后,Sydney Brenner,一位将线虫引入生物学的分子遗传学领军人物,这样写道:选择一个恰当的实验对象是生物学研究头等重要的大事...我们要做的就是找到最好的一个。

功成名就之后,坎德尔依旧坚持在科研前沿不断产出。他通过一系列的实验在小鼠中证明了海马的长时程增强。他还与诺奖得主Tonegawa各自独立构建出了强大又好用的的基因修饰小鼠工具,不知道造福了多少科学家。

作为一位伟大的科学家,他用一流的科学研究,开创了一个记忆研究的鼎盛时代,并推动着科学不断向前发展!即便是今天,88岁高龄的坎德尔依旧和同事们在实验室中进行着令人兴奋的研究。



最后,让我们再次顶礼膜拜坎德尔大神的围笑(* ̄︶ ̄)



参考文献:

[1] 追寻记忆的痕迹 In Search of Memory (美)坎德尔 著

[2] Biology of Learning: Modulation of Transmitter Release.ER Kandel,JH Schwartz .Science 1982

[3]Effects of cAMP simulate a late stage of LTP in hippocampal CA1 neurons..U FreyYY HuangER Kandel .Science 1993

[4] molecular biology of memory storage: a dialogue between genes and synapses.ER Kandel .2001


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编辑于 2018-01-30

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