這些精選文章是我們向科學家們致敬，他們今年夏天在德國齊聚一堂，參加第 64 屆林道諾貝爾獎獲得者大會，屆時約 600 名冉冉升起的青年研究人員將與 38 位生理學或醫學獎獲得者交流研究成果和想法。
生物化學
生理學
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作者：埃德加·道格拉斯·阿德里安 發表時間：1950年9月
諾貝爾獎 1932
生理學的目的是描述身體內發生的事件，並順便以此幫助醫生。但是要描述哪些事件，又該用什麼術語來描述呢？關於這一點，在過去半個世紀裡，觀點發生了變化。今天人們普遍認為，雖然生理學關注的是生命過程，但最終必須將其描述納入物理學和化學的框架之內。
在 19 世紀，生理學可以不那麼雄心勃勃。當時有很多關於各種器官的結構和大規模活動需要了解，而無需嘗試測量其中的物理和化學變化，因為無論如何，當時可用的精確測量方法很少。那個早期階段現在已經結束。身體的總體組織已經清除了其更明顯的問題。生理學家從精密科學中借鑑了許多新技術，他們的興趣正在轉向生物物理學和生物化學。
肌肉研究
作者：阿爾伯特·聖捷爾吉 發表時間：1949年6月
諾貝爾獎 1937
肌肉是一臺機器，在任何機器中，我們都必須處理兩個要素。一個是產生能量的反應，例如蒸汽機中蒸汽的膨脹、內燃機中燃料的燃燒或電動機中電流的流動。這些基本反應只有在特定的結構內發生時才能完成有用的工作，無論是氣缸和活塞還是線圈和轉子。因此，在肌肉中，我們也必須尋找產生能量的反應和有意義的結構。
產生能量的反應是分子之間發生的化學變化，對其研究屬於生物化學領域。結構是解剖學家的領域，他們使用解剖刀、顯微鏡或電子顯微鏡工作。這兩種研究途徑都非常令人興奮。我們可以預期，基本的能量產生反應在所有生命形式中都是相同的，至少在原則上是如此。因此，肌肉研究可以將我們帶到生命的基石。它的結構雖然是專門化的，但也同樣可以揭示生物分子結構的基本原理。從這個角度來看，肌肉不再是一個特殊的問題。對其功能的研究與對所有生命的研究融為一體，對於這樣的研究，肌肉是一種奇妙而獨特的材料。
神經科學
視覺的腦機制
作者：大衛·H·休伯爾 和 託斯滕·N·威塞爾 發表時間：1979年9月
諾貝爾獎 1981
大腦皮層是一層高度摺疊的神經組織，厚度約為兩毫米，是最外層的皮質，包裹在大腦半球的頂部，並在一定程度上位於大腦半球下方。在本文中，我們希望概述關於皮層的一個亞區——初級視覺皮層——的當前知識狀態，初級視覺皮層是與視覺有關的皮層區域中最基本的。
我們可以從追溯靈長類動物從視網膜到皮層的視覺路徑開始。來自每隻眼睛的輸出透過大約一百萬根神經纖維束傳遞到大腦，這些神經纖維束捆綁在視神經中。這些纖維是視網膜神經節細胞的軸突。大部分視神經纖維不間斷地傳遞到大腦深處的兩個細胞巢，稱為外側膝狀核，在那裡它們形成突觸。外側膝狀核細胞反過來將其軸突直接傳送到初級視覺皮層。
為了檢查這條視覺通路的工作原理，自 20 世紀 50 年代後期以來，我們的策略（原則上）很簡單。例如，從視神經的纖維開始，我們使用微電極從單根神經纖維記錄，並嘗試找出如何透過用光刺激視網膜來最有效地影響放電。為此，可以使用各種可以想象的尺寸、形狀和顏色的光模式，在黑暗背景上明亮或相反，以及靜止或移動。透過這種方式工作，人們發現視網膜神經節細胞和膝狀體細胞都對視覺場特定部分中特定大小的近似圓形光點反應最佳。
視覺皮層完成的兩個主要轉換中的第一個是對傳入資訊的重新排列，以便其大部分細胞不是對光點做出反應，而是對特定方向的線段做出反應。皮層中存在各種各樣的細胞型別，一些細胞的反應特性更簡單，一些細胞的反應特性更復雜，人們很快就會對一種層次結構產生印象，即更簡單的細胞為更復雜的細胞提供資訊。典型的細胞僅在光線落在視覺世界的特定部分時才做出反應。當在某個區域閃爍一條傾斜度恰到好處的線，或者在某些細胞中，當該線掃過該區域時，會獲得最佳響應。最有效的方向因細胞而異，並且通常被清晰地定義，以至於順時針或逆時針方向變化 10 或 20 度會顯著降低響應或消除響應。（很難表達這種辨別的精確度。如果 10 到 20 度聽起來範圍很廣，那麼應該記住 12 點鐘到 1 點鐘之間的角度是 30 度。）
曾經有一段時間，就在不久之前，人們看著皮層各個層中的數百萬個神經元，想知道是否有人會知道它們的功能。對於視覺皮層，答案現在似乎已經大致清楚：特定的刺激會開啟或關閉神經元；神經元群確實執行特定的轉換。似乎可以合理地認為，如果可以解開像這樣的少數幾個區域的秘密，那麼其他區域也會及時揭示它們的秘密。
嗅覺的分子邏輯
作者：理查德·阿克塞爾 發表時間：1995年10月
諾貝爾獎 2004
鼻子和嗅覺系統的基本解剖結構已經為人所知一段時間了。例如，在哺乳動物中，氣味的初始檢測發生在鼻子的後部，即稱為嗅上皮的小區域。該區域的掃描電子顯微照片顯示了兩種有趣的細胞型別。在這個區域中，數百萬個神經元，即感覺系統的訊號細胞，在外部世界和大腦之間提供了直接的物理連線。從每個神經元的一端，稱為纖毛的毛髮狀感測器向外延伸，並與空氣直接接觸。在細胞的另一端，稱為軸突的纖維延伸到大腦中。此外，嗅上皮包含神經元幹細胞，這些幹細胞在生物體的整個生命週期中產生嗅覺神經元。與大多數神經元不同，嗅覺感覺神經元會不斷再生，而大多數神經元會死亡且永不被替換。
當動物吸入有氣味的分子時，這些結構會與專門的蛋白質（稱為受體蛋白）結合，這些受體蛋白從纖毛延伸出來。氣味與這些受體的結合會啟動電訊號，電訊號沿著軸突傳播到嗅球，嗅球位於大腦的前部，就在鼻子後面。嗅球是大腦中處理嗅覺資訊的第一個中繼站；嗅球將鼻子與嗅覺皮層連線起來，然後嗅覺皮層投射到大腦皮層中更高層次的感覺中樞，大腦皮層是控制思想和行為的區域。在這種安排的某個地方，存在著大腦用來識別鼻子中檢測到的氣味、將其與其他氣味區分開來並觸發情緒或行為反應的複雜邏輯。
為了探索大腦的組織結構，我和我的同事們從氣味首先被物理感知的地方——氣味受體蛋白——開始著手。琳達·巴克，當時是我實驗室的博士後研究員，和我沒有直接檢查氣味受體，而是著手尋找編碼氣味受體的基因。基因為蛋白質提供模板，蛋白質是執行細胞功能的分子。
使用基因克隆技術，我們能夠分離出編碼氣味受體的基因。這個受體基因家族表現出幾種特性，這些特性使其適合於其在氣味識別中的作用。首先，這些基因編碼的蛋白質完全屬於先前描述的一組受體，這些受體七次穿過神經元的細胞膜；這些受體啟用稱為 G 蛋白的訊號蛋白。魏茨曼科學研究所的 Doron Lancet 和約翰·霍普金斯大學醫學院的 Randall R. Reed 的早期研究已經證實，氣味受體也使用 G 蛋白來啟動導致電脈衝沿嗅覺感覺軸突傳輸的事件級聯反應。其次，編碼氣味受體蛋白的基因僅在嗅覺神經元中活躍。雖然身體的幾乎每個細胞都攜帶每個基因的副本，但許多基因僅在專門的細胞中表達。
最後，廣泛的氣味受體基因似乎反映了氣味的驚人範圍。透過檢查包括人類在內的各種哺乳動物的 DNA，我們確定大約有 1,000 個基因編碼 1,000 種不同的氣味受體。（每種型別的受體都在數千個神經元中表達。）鑑於哺乳動物的 DNA 可能包含大約 100,000 個基因，這一發現表明，我們所有基因的 1% 都用於檢測氣味，這使其成為迄今為止在哺乳動物中發現的最大的基因家族。用於嗅覺的大量遺傳資訊或許反映了這種感覺系統對大多數哺乳動物物種的生存和繁殖的重要性。
學習和個性的生物學基礎
作者：埃裡克·R·坎德爾 和 羅伯特·D·霍金斯 發表時間：1992年9月
諾貝爾獎：2000 年（坎德爾）
現在可以在細胞甚至分子水平上研究對幾種不同型別的學習很重要的神經元機制的基本方面。研究人員一致認為，[某些] 形式的學習和記憶需要有意識的記錄。這些型別的學習通常被稱為陳述性或外顯性學習。那些不利用有意識參與的學習形式被稱為非陳述性或內隱性學習。
外顯性學習速度快，可能在僅一次訓練試驗後發生。它通常涉及同時刺激的關聯，並允許儲存有關在特定時間和地點發生的單個事件的資訊；因此，它提供了對先前事件的熟悉感。相比之下，內隱性學習速度較慢，並且透過多次試驗的重複積累。它通常涉及順序刺激的關聯，並允許儲存有關事件之間預測關係的資訊。內隱性學習主要透過在某些任務上提高績效來表達，而受試者無法描述究竟學到了什麼，並且它涉及不利用個人一般知識內容的記憶系統。
兩種不同形式的學習的存在，導致神經生物學中的還原論者詢問，這兩種型別的學習過程中的每一種是否都在細胞水平上都有表示。加拿大心理學家唐納德·O·赫布大膽地提出，聯想學習可以透過簡單的細胞機制產生。他提出，聯想可以透過巧合的神經活動形成：“當細胞 A 的軸突……興奮細胞 B 並反覆或持續地參與其放電時，在一個或兩個細胞中發生某種生長過程或代謝變化，從而提高 A 作為放電 B 的細胞之一的功效。”根據赫布的學習規則，突觸前和突觸後神經元中的巧合活動對於加強它們之間的連線至關重要（所謂的突觸前-後聯想機制）。
拉迪斯拉夫·陶克和我們中的一位（坎德爾）在 1963 年在巴黎馬雷研究所研究海兔 Aplysia 的神經系統時，提出了第二個聯想學習規則。他們發現，當第三個神經元作用於突觸前神經元時，即使突觸後細胞沒有活動，兩個神經元之間的突觸連線也可以得到加強。第三個神經元，稱為調節神經元，增強了突觸前神經元末梢的遞質釋放。他們認為，如果突觸前細胞中稱為動作電位的電脈衝與調節神經元中的動作電位一致（突觸前-調節聯想機制），則該機制可以具有聯想特性。
隨後，我們和我們的同事發現了實驗證實。我們在海兔 Aplysia 中觀察到了突觸前-調節聯想機制，它有助於經典條件反射，這是一種內隱性學習形式。然後，在 1986 年，在哥德堡大學工作的霍爾格·J·A·維格斯特倫和本特·E·W·古斯塔夫鬆發現，突觸前-後聯想機制發生在海馬體中，它被用於對空間學習（一種外顯性學習形式）很重要的突觸變化型別中。
免疫學
免疫系統
作者：尼爾斯·凱·傑恩 發表時間：1973年7月
諾貝爾獎 1984
免疫系統在功能的複雜性上與神經系統相當。這兩個系統都是彌散性器官，分佈在身體的大部分組織中。在人體中，免疫系統重約兩磅。它由大約一萬億個稱為淋巴細胞的細胞和大約一億兆個稱為抗體的分子組成，這些抗體由淋巴細胞產生和分泌。免疫系統的特殊能力是模式識別，其任務是巡視身體並守護其身份。
免疫系統的細胞和分子透過血液到達大多陣列織，透過穿透毛細血管壁進入組織。在移動後，它們會進入自己特有的返回血管系統，即淋巴系統。淋巴管樹收集淋巴細胞和抗體，以及其他細胞和分子以及沐浴身體所有組織的組織間液，並透過連線鎖骨後的鎖骨下靜脈將其內容物倒回血液中。
淋巴細胞在淋巴結中以高濃度存在，淋巴結是沿著淋巴管的驛站，也在它們製造和加工的部位：骨髓、胸腺和脾臟。免疫系統會不斷衰退和更新。在您讀到這裡的片刻，您的身體產生了 1000 萬個新的淋巴細胞和一百萬億個新的抗體分子。如果所有這些抗體分子都是相同的，這可能不會令人如此驚訝。但事實並非如此。需要數百萬個不同的分子來應對模式識別的任務，就像需要數百萬個不同的鑰匙來匹配數百萬個不同的鎖一樣。抗體分子識別的特定模式是表位：蛋白質、多糖和核酸等大分子表面的斑塊。顯示錶位的分子稱為抗原。幾乎不可能說出一種不是抗原的大分子。
免疫系統和神經系統在身體器官中是獨一無二的，它們能夠充分響應種類繁多的訊號。這兩個系統都表現出二分性：它們的細胞既可以接收訊號，也可以傳輸訊號，而且訊號可以是興奮性的，也可以是抑制性的。
神經細胞，或神經元，在大腦、脊髓和神經節中處於固定位置，它們的長突起，軸突，將它們連線起來形成一個網路。一個神經元的軸突與正確的一組其他神經元形成突觸的能力，必定需要類似於表位識別的東西。淋巴細胞的數量是神經細胞的 100 倍，並且與神經細胞不同，它們可以自由移動。然而，它們也會相互作用，無論是透過直接接觸還是透過它們釋放的抗體分子。這些元素可以識別，也可以被識別，這樣做它們也形成了一個網路。與神經系統的情況一樣，網路對外來訊號的調節代表了其對外部世界的適應。因此，這兩個系統都從經驗中學習並建立記憶，這種記憶透過強化來維持，但不能傳遞給下一代。這兩個系統在表達上的驚人相似之處，可能源於編碼其結構和控制其發育和功能的基因組的相似性。
皮膚移植
作者：彼得·B·梅達沃 發表時間：1957年4月
諾貝爾獎 1960
顯然，對移植的反應是一種免疫反應；即與體內由外來蛋白質、外來紅細胞或細菌引起的反應屬於同一類別的反應。這很容易透過實驗證明。一隻小鼠接受並排斥了另一隻小鼠的移植後，它會以兩倍以上的速度破壞來自同一供體的第二次移植，並且以一種表明它已在免疫學上預先武裝的方式。即使一隻小鼠僅僅接受了來自排斥移植的小鼠的淋巴結細胞注射，也會賦予它這種增強的敏感性。
在大多數免疫反應中，身體採用抗體作為破壞劑——例如，在攻擊外來蛋白質、細菌等時。抗體是在對同種異體移植（同一物種的不同動物之間的移植）的反應中形成的，但有理由懷疑這些抗體通常不是對抗此類移植反應的工具。矛盾的是，高濃度的迴圈抗體似乎會削弱反應：它使移植能夠享受一定的額外生命。
對移植的實際攻擊劑似乎不是抗體，而是淋巴腺產生的細胞。美國國家癌症研究所的 G. H. Algire、J. M. Weaver 和 R. T. Prehn 設計的一些巧妙的實驗確實指向了那個方向。
在一個實驗中，他們將同種異體移植包裹在一個多孔膠囊中，然後再將其植入一隻小鼠體內，這隻小鼠此前曾被來自同一供體的同種異體移植致敏。當膠囊的孔隙足夠大，可以讓細胞透過時，小鼠破壞了移植。但是，當實驗者使用孔隙非常細密的膜，可以將細胞擋在外面，只讓液體透過時，移植就存活了下來。
關於對抗移植的作用是由細胞進行的假設，解釋了為什麼角膜中的移植可以倖免於攻擊。角膜沒有血管；因此，血液傳播的細胞無法到達移植。
另一方面，在大腦中，情況恰恰相反：大腦缺乏淋巴引流系統，因此移植在那裡釋放的任何抗原可能無法到達可以激起免疫反應的中心。這可能解釋了為什麼同種異體移植通常可以成功地移植到大腦中。