愛德華和梅-布里特·莫澤夫婦合作了30年，並且結婚了28年，但這並沒有減弱他們對大腦的熱情。他們會在早餐時談論它。他們會在早晨的實驗室會議上討論它的精妙之處。在最近的一個夏日夜晚，在當地一家餐館，他們仍然在深入地來回討論他們自己的大腦如何知道他們在哪裡，以及如何引導他們回家。“僅僅是走到那裡，我們必須瞭解我們現在在哪裡，我們想去哪裡，什麼時候轉彎，什麼時候停止，”梅-布里特說。“我們不會永久迷路，這真是不可思議。”
如果有人知道我們如何導航回家，那一定是莫澤夫婦。他們在2005年因發現大鼠大腦深處的網格細胞而一舉成名。這些有趣的細胞也存在於人類中，其工作原理很像全球定位系統，使動物能夠了解自己的位置。自那以後，莫澤夫婦開闢了一個研究領域，研究網格細胞如何與其他特殊神經元相互作用，形成一個可能完整的導航系統，告訴動物它們要去哪裡以及它們去過哪裡。對網格細胞的研究可能有助於解釋記憶是如何形成的，以及為什麼回憶事件通常涉及重新想象一個地方，例如房間、街道或景觀。
在進行研究的同時，這兩位科學家也成了一種現象。他們身材高大、相貌出眾，在挪威特隆赫姆（Trondheim）資金充足的實驗室裡，他們就像一個大腦在兩個運動型身體中運作——那裡是北歐一個偏遠的角落，距北極圈僅350公里。他們一起發表論文，並以一個整體的形式獲得獎項——最近，他們與倫敦大學學院的前任導師、神經科學家約翰·奧基夫（John O’Keefe）一起獲得了本週的諾貝爾生理學或醫學獎。2007年，當他們還在40多歲中期時，他們贏得了加利福尼亞州奧克斯納德的卡夫利基金會的競賽，得以建立並指導全球僅有的17家卡夫利研究所之一。莫澤夫婦現在在他們的祖國是小有名氣的名人，他們的研究所已成為神經科學領域其他思想家的磁鐵。“和他們在一起絕對是智力上的刺激，”來自以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的神經生物學家納胡姆·烏拉諾夫斯基（Nachum Ulanovsky）說，他九月份首次參觀了特隆赫姆研究所。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過 訂閱來支援我們屢獲殊榮的新聞報道。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
莫澤夫婦的工作也使他們在21世紀最具挑戰性的研究前沿之一獲得了進展：大腦如何計算。正如計算機使用Java等程式語言一樣，大腦似乎也有自己的操作語言——一系列令人眼花繚亂的程式碼隱藏在神經元放電的速率和時間以及在腦回路中振盪的節律性電活動中。這些程式碼使大腦能夠以其能夠理解和計算的語言來表示外部世界的特徵——例如聲音、光線、氣味和空間位置。透過他們的網格細胞工作，莫澤夫婦已經成為第一個破解大腦深處這種程式碼的人；現在該領域面臨的挑戰是找到其餘的所有程式碼。
“梅-布里特和愛德華的研究是認知神經科學事業的核心，”在巴黎法蘭西學院研究意識的斯坦尼斯拉斯·迪安（Stanislas Dehaene）說。“他們正在試圖理解認知的神經程式碼——從而將生物學與計算機科學甚至哲學結合起來。”
群星匯聚
莫澤夫婦在北大西洋的不同挪威島嶼上長大，那裡的夏日似乎永恆，而漫長的冬夜只有舞動的北極光照亮。他們都來自非學術家庭，並且就讀於同一所學校。但是直到1983年，當他們都在奧斯陸大學時，他們才開始互相瞭解，當時他們都在想該學習什麼，並且都開始意識到他們真正的熱情在於神經科學和大腦。
突然，一切都爆發了：他們之間的浪漫，求知慾以及他們人生的使命的開始——找出大腦如何產生行為。莫澤夫婦拜訪了大學裡一位更著名的教職員工，電生理學家珀·安德森（Per Andersen），並要求與他一起完成本科專案。安德森正在研究海馬體——與記憶相關的大腦區域——中的神經元活動，兩位學生想嘗試將這種精確的細胞活動與動物的行為聯絡起來。安德森像當時大多數神經科學家一樣，對跨越大腦這個黑匣子做出如此大的飛躍持懷疑態度。但是，這對夫婦不肯離開他的辦公室，直到他屈服併為他們提供了一個看似簡單的專案：在老鼠不再記得新環境之前，你可以切除多少海馬體？
這兩位年輕的科學家接受了挑戰，並很快發現了一些深刻的東西。在此之前，人們一直認為海馬體是同質的。但是莫澤夫婦表明，它的一側對於空間記憶比另一側重要得多。這使他們意識到詳細的大腦解剖結構對於理解大腦功能的重要性，這一教訓將在他們後來的職業生涯中被證明是寶貴的。
1984年，當他們還是本科生時，這對夫婦在坦尚尼亞的休眠火山乞力馬扎羅山頂訂婚。（山頂的嚴寒迫使他們匆忙交換戒指，以便儘快戴上手套。）這對夫婦已經決定了他們的共同生活應該如何：早生孩子，在國外獲得博士後經驗，然後在世界某個地方一起擁有自己的實驗室。這些計劃都實現了——只是比他們預期的要快一些。甚至在獲得博士學位之前，他們就接受了在倫敦奧基夫實驗室的並肩博士後職位。
在1970年代，奧基夫發現了老鼠海馬體中稱為位置細胞的神經元。這些細胞僅在動物處於特定位置時才會放電——例如，靠近運動輪，或在門前。（此後，人們發現了其他與導航相關的神經元，包括當頭部向特定方向轉動或看到邊界（例如籠子的長邊）時會放電的神經元。）研究領域炙手可熱，莫澤夫婦想擴充套件它。
但是在1996年，在他們的博士後研究開始幾個月後，莫澤夫婦意外地收到挪威科技大學在特隆赫姆的兩個副教授職位。他們不確定是否接受：這將意味著在一個與世界主要研究中心隔絕的小型大學裡獨自奮鬥。“但是，在同一個地方和同一個研究領域提供兩個職位真是太好了，不能拒絕，”愛德華說。他們飛回家了，此時，他們身後跟著一個蹣跚學步的孩子和一個嬰兒。
在特隆赫姆建立事業並不容易。他們必須在一個小地下室裡從頭開始建立一個實驗室，並建立一個動物設施。但是僅僅幾年後，他們就贏得了歐盟委員會和挪威研究委員會的大筆撥款。到那時，結果也開始顯現。
在網格上
這對夫婦在特隆赫姆的第一個目標是更好地描述位置細胞訊號的起源。儘管細胞本身位於海馬體中，但可能是其他地方的細胞指示它們何時放電。莫澤夫婦記得本科實驗室的教訓，他們知道他們需要了解大腦的解剖結構，才能看到訊號如何在物理上流經它。
在實驗室中，他們調整了研究位置細胞的標準實驗技術：將電極直接植入大鼠的海馬體中，並在動物在一個大盒子中自由奔跑時記錄它們的活動（請參閱'位置感'）。電極——其靈敏度足以捕捉單個神經元的活動——將訊號饋送到計算機，並繪製出每個神經元放電的盒子地板上的確切位置。這在螢幕上顯示為一個黑點。為了確保老鼠覆蓋整個地板區域，研究人員在地板上撒上巧克力糖果。（梅-布里特在實驗室內外都是一位巧克力愛好者。）
莫澤夫婦化學滅活了大鼠大腦中海馬體及其周圍的不同部分，然後測試位置細胞是否繼續正常放電。透過這種方式，他們發現資訊從內嗅皮層流向位置細胞，內嗅皮層是沿著大鼠大腦下背部垂直向上延伸的一條狹窄的組織。以前沒有人特別關注這個結構，很大程度上是因為它很難接近。它的一側非常靠近一個大的血腔；刺穿它將是致命的。莫澤夫婦諮詢了一位神經解剖學專家，並得出結論，幸運的是，電極的理想位置將遠離血腔並靠近大腦表面。然後，他們開始重複他們的實驗，記錄內嗅皮層中單個神經元的活動。那時，他們發現了一些意想不到的事情。
研究人員發現，當老鼠移動到盒子中的特定位置或穿過特定位置時，這些內嗅神經元中的一些會放電，就像海馬體的位置細胞一樣。但是，它們也繼續在其他幾個位置放電。當一隻老鼠到處亂竄，撿拾巧克力糖果時，研究人員困惑地看著計算機繪製放電圖，螢幕上出現了重疊的斑點。莫澤夫婦可以看到這些斑點正在形成某種模式，但是他們無法弄清楚它是什麼。
他們花了幾個月才意識到，他們需要讓老鼠在更大的盒子裡跑動，這樣圖案才能被拉伸開來，更容易被觀察到。那時，一個近乎完美的六邊形晶格，像蜂巢一樣，顯現了出來。起初他們不相信這是真的。如此簡單和規律的結構是他們最不期望看到的——生物學通常比這要複雜得多。但是，他們一個接一個地排除了其他所有解釋——例如，該圖案是來自他們電子裝置的偽影——然後他們開始理解大腦的這個部分是如何工作的。地板上沒有物理的六邊形軌跡；這些形狀是在老鼠的大腦中抽象地建立的，並施加到其環境中，以至於每當它穿過六邊形的一個頂點時，單個神經元就會放電。這一發現令人興奮，不僅僅是因為它令人愉悅的圖案。大腦語言中對空間的這種表示是大腦用來表示我們周圍世界的長期尋求的編碼之一。“這是一個漫長的頓悟時刻，”愛德華回憶道。該團隊於 2005 年在《自然》雜誌上發表了這一發現。
隱藏的模式
很快，莫索夫婦開始對網格細胞進行測試。他們發現，即使在黑暗中，細胞的放電模式也保持不變，並且它們與動物的速度或方向無關。老鼠大腦中的位置細胞如果環境略有改變——例如，透過改變牆壁的顏色——可能會改變其放電率，而網格細胞的放電率則保持穩定不變。莫索夫婦還發現，內嗅皮層中不同的細胞會產生許多不同型別的網格，就像重疊的蜂巢一樣——大的、小的，並且相對於盒子邊緣的每個方向和位置都不同。他們最終發現，大腦的網格細胞是按照精確的數學規則排列的。
產生較小網格（間距較窄）的細胞位於內嗅皮層的頂部，而產生較大網格的細胞位於底部。但它比這更精確：產生相同大小和方向的網格的細胞似乎會聚整合分模組。這些模組沿著內嗅皮層的長度按階梯排列，每個模組代表的網格大小以 1.4 的常數因子隨著每一步的增加而擴大。與此同時，代表相對於盒子邊緣不同位置的網格細胞在整個結構中隨機分佈。假設人類中存在類似的排列，那麼其想法是，這些細胞共同無意識地跟蹤我們行走於房間之間或在街道上漫步時的位置。
一切盡在腦中
這些發現將莫索夫婦與一大批科學家和哲學家聯絡起來，他們至少從古希臘時代起就一直在思考大腦、記憶和位置之間的聯絡。那時，一位需要記住長篇演講的哲學家可能會記住一座建築物或一條街道的佈局，並在腦海中將演講的不同部分附加到不同的地標上。然後，他（他們幾乎總是男性）可以在腦海中走動時流暢地發表整個演講，讓每個地標啟用來自記憶的各個部分。對記憶和位置的著迷一直延續到二十世紀，當時行為科學家首次假設動物的頭部內攜帶著空間的抽象地圖。網格細胞最終證明了這一點。
這些發現也讓理論家們感到驚訝和興奮，因為六邊形圖案是以最少的網格細胞實現最高空間解析度的最佳排列。這節省了能量，表明大腦有時可以多麼高效地執行。“誰會相信如此美麗的六邊形表示存在於大腦深處呢？”德國慕尼黑大學的計算神經科學家安德烈亞斯·赫茲說。“大腦會使用我們在數學中描述了幾千年的相同簡單的幾何形狀，這太出乎意料了。”他說，這種吸引人的簡單性給人帶來了希望，即整個大腦使用的計算原理最終可能會被科學家理解。
這種理解可能需要很長時間才能達到。大腦用來表示世界其他方面的神經程式碼不太可能如此簡單；單個神經元可能會編碼世界的幾種不同屬性，使得這些語言難以解開。網格程式碼也很有價值，因為它存在於大腦等級結構的較高層，沒有感官資訊的直接輸入。比如說，與視覺皮層不同，其編碼會受到落在視網膜上的光線的影響，而內嗅皮層完全透過整合大腦其他區域接收到的關於環境的任何資訊，在內部建立六邊形圖案。
隨著實驗室接連發表一篇又一篇具有重大影響的論文，莫索夫婦的工作吸引了人們和資金。神經科學家大衛·羅蘭在俄勒岡大學尤金分校攻讀博士學位時，閱讀了 2005 年關於網格細胞的論文，並深受啟發。“我認為這太酷了，我立刻想讓我的第一個博士後研究在他們的實驗室進行，”他說——事情就是這樣發展的。他加入了位於特隆赫姆的卡夫利研究所的莫索夫婦，該研究所現在有六個額外的研究小組在進行研究，每個小組都在研究神經迴路和編碼的不同方面。
並非每一對夫婦都能如此和諧地一起工作。莫索夫婦將他們能夠做到這一點的能力很大程度上歸因於他們耐心平和的性情和共同的興趣——科學以及其他方面。他們都喜歡戶外活動：梅-布里特每隔一天都會在她沿海住宅周圍崎嶇的山丘上跑步，而愛德華則在週末徒步旅行。他們對火山有著共同的痴迷——因此他們在其中一座火山的頂部訂婚——並且攀登了許多世界上最壯觀的山峰。
在工作中，他們已經形成了一些分工。愛德華更多地參與計算和理論，而梅-布里特則管理實驗室和人員，並且更專注於實驗。“我們有不同的優勢，我們知道透過結合這些優勢，結果會好得多，”愛德華說。他們的目標是隻讓其中一人參加任何特定的會議，這樣另一人就可以留在實驗室。“所以我們並沒有像許多人可能認為的那樣整天都在互相干擾，”愛德華說。
莫索夫婦——以及現在世界上其他研究網格細胞的實驗室——仍然有很多東西要學習。科學家們尚不清楚內嗅皮層的神經網路是如何生成網格的，或者網格細胞、位置細胞和其他導航細胞建立的總體地圖是如何整合在一起以幫助動物從一個地方到達下一個地方的。這些挑戰需要更多的資料，而莫索夫婦正在進行一系列實驗來收集這些資料。
他們計劃進行的一項虛擬現實實驗將記錄在靜止球上奔跑的老鼠中的電極，靜止球被顯示不斷變化的環境的螢幕包圍。老鼠的頭部將被固定住，以便首次將電極直接放置在單個細胞內部，並插入小型透鏡，讓研究人員可以同時在顯微鏡下檢查這些細胞。這將精確地揭示當老鼠在虛擬空間中移動時，許多細胞型別中的哪些細胞會在任何時候放電。
下一步將是繪製網格細胞如何硬連線到網路中，並找出這種連線發生在老鼠生命的哪個階段。早期的研究表明，網格系統在出生後大約三到四周完全建立，這意味著嬰兒——包括人類和老鼠——天生就對自己在空間中的位置有一種非常原始的感覺，並且這種感覺會隨著他們的大腦適應世界而發展。莫索夫婦還計劃測試，如果一隻老鼠從出生起就在一個完美的球體而不是一個平底籠中長大，那麼其大腦中的六邊形圖案會如何改變。
在神經編碼的抽象世界之外，網格細胞在理解記憶及其喪失方面具有另一個重要的相關性。內嗅皮層是大腦中最早受到阿爾茨海默病影響的結構，而迷路或感到迷失是該疾病的早期症狀之一。莫索夫婦假設，內嗅皮層中的細胞可能具有特殊的特性，允許該疾病在那裡早期發展——他們希望其他地方的科學家可以開始解決這個問題。
與此同時，在特隆赫姆，現在是晚上 10 點，愛德華和梅-布里特在回家的路上仍然在討論大腦。稍後，在他們消失很久之後，這兩位科學家仍然在發揮著他們的影響力。任何飛離特隆赫姆機場的人都會在著名的挪威人展覽中找到這對夫婦的照片。其他 13 張肖像都是個人的運動員或藝術家。莫索夫婦的肖像是唯一一張以兩位科學大腦為特色的肖像。
本文經許可轉載，並於 2014 年 10 月 6 日首次發表。