今年的诺贝尔医学奖获得者布莱特·莫瑟尔（May Britt Moser）、爱德华·莫瑟尔（Edvand Moser）夫妇已经合作了30年，结婚也已28年了，至今他们对大脑的探索依然充满着激情，早餐、实验室晨会、工作时都反复在谈论大脑这一话题，以至于最近在特隆赫姆机场用餐时，谈论的话题仍然是大脑。
诺奖得主莫瑟尔夫妇一直在位于北极圈的实验室探索大脑如何让我们知道自己所处的方位
如果有人知道我们是如何导航回家的，那就非莫瑟尔夫妇所属。2005年，他们因在小鼠大脑深处发现“网格细胞”而一举成名。类似于全球定位系统（GPS），这些耐人寻味的细胞能让动物明白自己所处的位置。当然，这些细胞也存在于人类大脑中。莫瑟尔夫妇研究的这些网格细胞是如何与其他特定神经细胞发生相互作用，以构成生物体完整的导航定位体系，并告诉动物想去哪儿和已经到了哪儿。对这些网格细胞的研究，有助于了解记忆的形成机制，并解释为何当我们回想起过去的某些事件时，往往会伴随着事件发生时的场景，如某个房间，街道，或是景物。
莫瑟尔夫妇的实验室位于挪威的特隆赫姆，距北极圈只有350公里。在那里，他们一起发表文章，一起获得奖项。最近，他们与曾在伦敦大学学院的导师、神经科学家约翰·奥基夫（John O’Keefe）一起分享了2014年诺贝尔医学奖。
2007年在他们40多岁时，莫瑟尔夫妇在一场由美国卡弗里基金会举办的竞赛中胜出，获得该基金会资助建立一个卡弗里研究所，而全球一共只有17个这样的研究所。现在，莫瑟尔夫妇在当地小有名气，他们的研究所也像一块磁铁，吸引着全世界神经科学领域的顶尖学者前往。以色列魏兹曼科学研究所的神经科学家纳楚姆·乌拉诺夫斯基（Nachum Ulanovsky）说：“在他们周围都是一些极有学识之士。”乌拉诺夫斯基今年9月份造访了莫瑟尔夫妇在特罗姆瑟的实验室。
莫瑟尔夫妇的工作将他们引向了21世纪最具挑战性的课题之一：大脑是如何工作的。就像计算机Java程序语言一样，大脑似乎也有自己的工作语言――它们就隐藏在神经细胞激活的频率与大脑回路中周期性涨落的神经电信号模式之中。这些信号让大脑得以反映外部世界，如声音、光纤、气味以及自身在空间中的位置。现在，这一领域面临的挑战将是继续破解认知现象背后的运行机制。
巴黎法兰西学院的神经学家斯坦尼斯拉斯·德哈尼（Stanislas Dehaene）说：“处于认知神经科学体系中心位置的莫瑟尔夫妇，他们正在尝试理解认知现象背后的神经密码，进而将计算机科学与生物学，甚至哲学统一起来。”
接受挑战
莫瑟尔夫妇分别在两个不同的挪威岛屿上长大，那里的夏季似乎是永恒的，而漫长的冬季，唯一照亮地面的似乎就剩下夜空中的北极光。他们两人都出身于非学术家庭，尽管两人都在奥斯陆大学求学，但两人直到1983年前并不认识。有一阵，他们为不知道该研究什么课题感到迷惑，两人同时又都意识到自己的真正志向在于对神经科学以及大脑科学方面的研究上。
忽然间，一切都迸发出了火花：带着年轻人的罗曼蒂克和学术上的好奇心，两人开始了一生的追求――找出大脑控制行为的背后机制。他们拜访了奥斯陆大学的电生理学家皮尔·安德森（Per Andersen）教授，请求跟随他做本科毕业课题。安德森当时正在研究大脑海马区――一个与记忆有关的区域――的神经元活动，而这对学生想尝试把细胞的精确活动与动物行为联系起来。像大多数神经科学家一样，安德森当时对这一如此巨大的跨越心存疑虑，但这两位年轻人非常坚持，一直待在他的办公室。他最后只能妥协，向他们推荐一个看似简单的课题：在保持小鼠对环境信息记忆能力的情况下，你最多可以切除多少小鼠大脑的海马体？
于是，两位年轻人接受了这项挑战。在当时，科学家们普遍认为海马体是同质的，但莫瑟尔夫妇却揭示了海马体的一侧在空间记忆方面要比另一侧重要得多。这一经历让他们意识到详细大脑解剖工作的重要性。这一点后来在他们的职业生涯中被证明是无比宝贵的一课。
1984年，当时还是本科生的两人在登上了坦桑尼亚境内的乞力马札罗山山顶，并交换了订婚戒指，此时的两人已经设想好了他们的未来：先生孩子、然后去国外做博士后研究，最后在世界的某一个地方建立自己的实验室。现在看来，这些计划都一一实现了，甚至比预期的还要早。还在博士论文答辩之前，他们两人就双双收到了到伦敦奥基夫教授实验室做博士后研究的邀请。
在1970年代，奥基夫教授在小鼠大脑的海马区域发现了一种被称作“位置细胞”的特殊神经细胞。这些细胞只在小鼠抵达某一特定位置时才会被激活，如靠近一个轮子，或在门前的位置。之那以后，人们又陆续发现了其他与导航相关的神经细胞，比如有些神经细胞在小鼠头部转向某一方向时会激活，有些是当视野中见到边界(比如笼子或房间的边界)时会激活。莫瑟尔夫妇想继续在这一领域拓展，两人便一头扎了进去。
1996年，莫瑟尔夫妇意外的收到位于特罗姆瑟的挪威科技大学的助理教授职位邀请。是在伦敦继续他们的博士后，还是前往一个远离世界学术研究中心的偏远大学孤军奋战？“在同一个地方、同一个领域，又同时提供两个职位，这实在无法拒绝。”莫瑟尔先生说。在一番纠结后，他们决定回国，接受挪威科技大学的邀请。回国时，他们还带了两个宝宝――一个蹒跚学步，一个嗷嗷待哺。
在特隆赫姆站稳脚跟并不是一件容易的事，很多事情不得不白手起家。他们在一间地下室建起了自己的实验室，包括还要建实验动物设施。但在短短几年时间，他们便得到欧盟委员会和挪威研究委员会的巨额资助。至此，事情顺利多了。
网格细胞
莫瑟尔夫妇在特罗姆瑟的第一个目标是改进对位置细胞信号来源的描述。尽管这些细胞本身位于海马体，但也有可能是其他位置的细胞对其发出指令。得益于本科时期的实验室实践，莫瑟尔夫妇知道，他们必须从解剖学入手，以探查信号是如何在区间内传递的。
在实验室中，他们将电极直接植入小鼠的海马体并记录当它在一个箱子内奔跑时产生的大脑信号。与此同时，计算机绘制出这些神经细胞被激发时小鼠在箱子中所处的位置，在屏幕上以黑点的形式呈现。为了确保小鼠的活动区域涵盖整个箱子区域，他们还在箱子底部撒上一些碎巧克力。
为了观察小鼠海马体部分区域失效后位置细胞是否照样会发挥作用，莫瑟尔夫妇采用化学方法人为地让部分小鼠海马体失效。通过这种方法，他们注意到信息流是从临近的内嗅皮层传导而来的，这是小鼠大脑后下方一处垂直方向上的微小组织。此前没有人对这一不起眼的组织过多的关注，部分原因是，其一侧非常接近一根大的血管，并且非常难于接触，操作不慎就可能引起致命后果。在向一位大脑解剖学专家请教之后，莫瑟尔夫妇得出结论，植入电极的最佳位置应该是避开血管，接近大脑皮层的地方。然后他们开始不断重复这一实验，记录来自内嗅皮层单个神经细胞的信号。也就在这时，他们有了突破性的发现。
莫泽夫妇发现，类似于海马体区域的位置细胞，内嗅皮层区域的神经细胞会在小鼠通过某一特定位置时会被激活，接着在其他几个区域也发现了这些现象。当箱子里的小鼠正忙着找碎巧克力的时候，屏幕上，时不时会出现或重叠出现反映小鼠大脑神经细胞激活时的黑点，莫瑟尔夫妇注意到这些位置点似乎构成了某种模式，但此时他们不清楚这究竟意味着什么。
几个月后，莫瑟尔夫妇意识到，找一个更大的箱子让小鼠在其中奔跑或许能获得更大尺度上的位置图形，也就能更好的进行判读。当把小鼠放入大箱子后不久，屏幕上出现了一个近乎完美的蜂窝状六边形格子图形。起先他们不敢相信，如此简单而规则的图形就是他们期望出现的结果。在逐一排除了所有的解释后他们开始明白，这些图形是在小鼠大脑里抽象构建后并施加于其所处的环境中，即只要小鼠经过其中的某一位置，就会有神经细胞被激活。这是一项重大的发现――这是空间的大脑语言，大脑是依靠这种语言来刻画周围的空间环境的，这也是人们长期以来苦苦寻求的答案。2005年，莫瑟尔研究组正式发表了他们的研究结果。
不久后，莫瑟尔小组开始对这些网格细胞进行测试。结果他们发现，即便在黑暗之中，这些细胞激活的模式仍然是稳定的，并且与动物的运动速度与方向无关。当生物体所处环境发生轻微改变――比如变换箱子的颜色时――小鼠大脑内的位置细胞激活也会随之发生轻微改变，但网格细胞的激活仍然保持稳定。莫瑟尔夫妇同时还发现，内嗅皮层区域的不同细胞会产生很多不同的图形模式，就像相互重合的蜂巢――大的、小的，与箱子的边界之间呈现各种不同的角度与位置关系。最终，他们意识到大脑中的这些网格细胞遵循着一个严格的数学公式。
那些产生较小图形以及较窄空间间隔的细胞都位于内嗅皮层的顶部，而那些产生较大网格的细胞则位于底部的位置。但还有比这更加精确的对应关系：那些产生相同大小与方位图形的细胞似乎都聚集在一起，形成一个独立单元。这些单元似乎形成沿着内嗅皮层上下方向分布的顺序，并且所有这些单元，其产生图形的大小都扩大1.4倍，这是一个常数。另外，那些对应相对箱子边界不同位置的网格细胞则是无规则地散布在整个结构之中。
假设相似的结构存在于人类的大脑之中，那么这就意味着这些细胞会在你毫无意识的情况下自动记录我们所处的位置，当我们在房间之间来回穿行，在街道上随意走动的时候确保我们不会迷路。
几何图形
莫泽夫妇的这些发现，使他们一头闯进了至少从古希腊时代以来科学家们和哲学家们一直在思考的领域，那就是大脑，记忆与位置环境之间的关系。假设在那时候，一位计划进行长篇演说的哲学家为了记住自己的讲稿，如果将演讲的不同段落与现场不同的建筑背景或场景结合在一起，这样他便能随着自己思维地图的指引，可以非常流畅的完成其演说。每一处不同的地标都会激活演讲人大脑中的一个特定区域，提示他接下来要讲的话。
对于记忆与位置环境之间关系的研究热情一直延续到了20世纪，当时的行为科学家们首次提出，动物的大脑中可能存在知觉地图，其中存储了有关周围空间的信息。而网格细胞的发现最终证实了这一观点。
这项发现让理论学家们大为惊讶，因为六边形是借助最小网格数量达成最高空间分辨率的最优化图形方案。这一方案最节约能量，它展示了大脑运作设计的精妙与高效率。德国慕尼黑大学计算神经学家安德亚斯·赫兹(Andreas Herz)表示：“谁会相信这样一个优雅的六边形图案会存在于我们的大脑深处呢？真是难以置信，大脑竟然使用着同一个我们在数学中已经使用了数百年的简单几何图形。”这种令人震惊的简洁给人以希望，那就是整个大脑的运作机制或许是遵循着某些数学计算原则，因而最终是可以被人们所理解的。
当然，要达成那样的理解还有很长的路要走。大脑用来描述这个世界其他方面的语言或许不太可能跟这次的情况一样简单，也或许某个神经细胞实际上承担着对世界不同角度的描述功能，这种叠加会让解译工作变得异常艰难。
随着他们的实验室发表一篇又一篇高质量论文，莫瑟尔夫妇的实验室也吸引了更多的学者和更多的资金。神经科学家大卫·罗兰德(David Rowland)在2005年第一次读到有关网格细胞的论文时还在奥斯陆大学攻读博士学位，他回忆道：“我觉得它简直酷极了，我当时就决定我的第一个博士后职位想在莫瑟尔夫妇的实验室里度过。”最后他如愿以偿。后来他加入了莫瑟尔研究组以及他们创建的特隆赫姆卡弗里研究所。现在这里非常繁忙，有6个研究组在这里开展研究，每一个研究组的课题都针对神经回路与神经密码的不同方面。
继续探索
并非每一对夫妇都能像莫瑟尔夫妇那么舒适和谐地共同工作。莫瑟尔夫妇将此归结为他们两人随和的脾气和共同的兴趣――不仅是科学，还有其他方面也是一样。他们两人都喜爱户外运动：莫瑟尔夫人三天两头会在他们位于海边的房子附近跑步，而莫瑟尔先生则在周末出去徒步行走。他们两人都对火山充满热情，这也是为什么他们两人会在一座休眠火山的山顶订婚的原因。他们已经一起攀登了世界各地的许多座高山。
不过即便有了这样巨大的突破，但莫瑟尔夫妇的实验室，以及全球各地许多致力于网格细胞研究的实验室，都还有很多东西要继续探索。科学家们目前还无法弄清内嗅皮层内的神经细胞究竟是如何产生这种网格结构的，也不知道大脑内的位置细胞、网格细胞以及其他类型的导航细胞所产生的信息究竟是如何被组织起来，从而帮助动物成功地从一个地点抵达另一个地点的。要想解开这些谜团需要更多的数据，而目前莫瑟尔实验室正在进行着多个实验，采集所需要的数据。
早期的研究显示，这些网格细胞大约在生物出生之后3-4周内便完全形成了。这就意味着新生的幼年动物――包括人类或是小鼠，在它们出生时都已经具有了非常原始的有关自己所处位置的知觉，随着它们的大脑逐渐适应这个世界，这种原始的空间知觉也随之开始发展成熟。莫瑟尔夫妇还计划进行一项测试，即，如果让一只小鼠在一个完全圆形，完全没有任何棱角的环境中出生并长大，这样长大的小鼠的网格细胞呈现的内在六边形图形模式是否会出现变化？
在神经密码的抽象领域之外，网格细胞也同样有着重要的意义――那就是理解记忆以及记忆的丧失现象。内嗅皮层是阿尔茨海默综合征患者的大脑内首先发生损害的部位之一，而这种病症最初的症状也正是记忆丧失与迷路。莫瑟尔夫妇认为，内嗅皮层区域的细胞可能具有某些特殊的性质，因而较为容易在该病的早期受到损害――有关这个问题的答案，还需要世界其他地方的科学家们继续进一步的研究。
与此同时，莫瑟尔夫妇仍在继续探讨着有关大脑究竟如何指引他们回家的话题。而在他们的身影之外，任何一个到过特隆赫姆机场的人都能感受到莫瑟尔夫妇的存在――这里张贴着13名最知名挪威人的画像，其中绝大多数都是运动员或艺术家，莫瑟尔夫妇是其中唯一的两张科学家面孔。
资料来源 Nature
责任编辑 则 鸣