什麼是一流的科學研究？--千禧年的諾貝爾獎，神經科學大師坎德爾

文 / @溪武七

2000年，埃里克·坎德爾（Eric Kandel）因為其卓越的研究第一次闡明了記憶相關的突觸效能的改變，以及其中涉及的分子機制，與好友保羅·格林加德以及阿爾維德·卡爾森分享了當年的諾貝爾生理學或醫學獎。

12月10日，在斯德哥爾摩音樂廳舉行的典禮上，瑞典王室以及高官們莊重吟唱完王室聖歌，國王卡爾十六世古斯塔夫親自與坎德爾握手，頒發給他裝著獎章的精緻皮盒以及榮譽證書。

「...最後，Eric Kandel的工作向我們展示了這些神經遞質是如何通過第二信使和蛋白質的磷酸化來形成短時和長時記憶，而記憶奠定了我們在世界中生存和相互交流的基礎...」

斯德哥爾摩交響樂團美妙的旋律迴旋在喜慶的大廳中，坎德爾或許依舊會想起62年前那個難以忘懷的生日。9歲生日那天，父母送了一份坎德爾夢寐以求的生日禮物——電動遙控汽車模型。然而歡樂時光只有短短兩天，一陣驚心動魄的敲門聲改變了一切，兩個納粹警察將他們一家趕出公寓，寄住在幾個街區外的一戶陌生人家，同時他們的父親也被捕入獄。這便是納粹史上有名的「水晶玻璃之夜」，標誌著納粹對猶太人有組織的屠殺的開始。那些充滿擔憂與焦慮的日子，自此深深刻入了坎德爾的腦海中。

逃離納粹控制下的維也納之後，坎德爾一家來到了美國。

在這裡坎德爾順利讀完初中高中，並被哈佛大學以獎學金錄取。然而，直至此時，坎德爾的興趣與專業竟然是歐洲歷史與文學！

來自大神的嘲諷

一切的轉折點出現在他的大一快結束的時候。這時他認識了他的第一任女友，Anna Kris，兩人因為對德國文學的巨大熱情迅速開始交往，並很快見了Anna的父母Kris夫婦，兩位知名的弗洛伊德派精神分析學者。不久以後，坎德爾的導師Vietor因為癌症不幸去世，並使得坎德爾的課程計划出現了很大空白。這時命運的列車開始轉向，與Kris夫婦的頻繁來往燃起了他對精神分析的極大熱情。而此時的50年代，正是美國的年輕人們對精神分析產生狂熱與痴迷的年代。精神分析學派的理論第一次使人們了解了人類行為的複雜性及其背後的動機。

哈佛大學的開放氛圍以及Vietor的去世，使得此時重新立志成為精神分析學者的坎德爾得以衝動地開始修化學、生物等進入醫學院成為精神醫師的相關必備課程，並在1952年順利進入紐約大學醫學院。

一年後他與異地戀的正在劍橋讀書的Anna分手。而這一年，一個瘦高的年輕人興奮地衝進劍橋的Eagle酒館（The Eagle Cambridge），向眾人宣布他和一位朋友發現了DNA的雙螺旋結構。同樣在這一年，離坎德爾80里外的康涅狄格州，大名鼎鼎的H.M (Henry Molaison）的癲癇病嚴重惡化，他的雙側海馬被痴迷於獲得過諾獎的前腦葉白質切除術（神經科學的黑歷史）的斯考維勒醫生（Dr. Scovil）摘除。

又過了兩年，坎德爾認識了支持他一生事業的——他後來的的妻子Denise Bystryn。在婚後坎德爾開始為兩人都沒有經濟來源而擔憂並打算找個工作時，Denise拍了桌子一下，並說，「金錢是沒有意義的。」她經常鼓勵坎德爾大膽做一些新穎的原創性研究。

Kandel夫婦：每一個成功的男人背後都有一個偉大的女人

自此，坎德爾的大神之路正式開啟。

在醫學院期間，坎德爾看到了Kuffler的關於螯蝦單個神經細胞以及樹突的工作。聯想到Hodgkin和Huxley的關於烏賊巨大軸突的工作，以及Katz對於烏賊巨大突觸的研究，坎德爾接受了導師的意見，「每次一個細胞」，開始著手使用螯蝦蝦大軸突的簡單系統作為起點，來研究他感興趣的關於弗洛伊德人格意識的生理結構基礎。他意識到，選擇一個合適的實驗系統是一個生物學家做出的最重要的決定。

他開始製作玻璃電極並將其插入螯蝦軸突中，將放大器輸出和擴音器相連之後，坎德爾聽到了動作電位的奇妙噼啪聲。「我正在傾聽我的螯蝦埋藏得很深的思想！」

坎德爾隨後進入了美國國家心理健康研究所（NIMH），並讀到了Scoville和Milner共同報道的H.M的故事。雙側海馬被切除的亨利，再也不能將短時記憶轉化為長時記憶。護士才剛把名字告訴亨利，隨後離開幾分鐘，亨利馬上就不記得對方。他認得自己母親，但手術之後才認識的人、知道的事，沒多久就忘光了。50年後，亨利還是這樣。他母親於1960年代過世，但亨利每次聽到別人提起這件事，他都以為母親才剛過世，一再失聲痛哭。但亨利對於科學的貢獻是無比巨大的，從此人們知道了記憶在大腦中儲存的區域以及外顯記憶（陳述性記憶）和內隱記憶（程序性記憶）的區別。

亨利

於是，坎德爾將研究興趣轉到記憶在大腦中如何儲存上。

他提出了兩個問題：當我們學習的時候，大腦中發生了什麼變化？

一旦一種知識被學到，這些信息如何被保存在大腦中？

在對貓的海馬體進行了一系列成功的研究之後，坎德爾意識到要研究學習與記憶在海馬體的複雜網路中的儲存是一項非常困難的工作，他將目光轉向了簡單的無脊椎動物。

在NIMH工作期間，他得以與大量到這裡訪問的優秀腦科學家交流並參加各種研討會。從這些研討會中，坎德爾第一次了解到海兔（Aplysia）這種可愛而神奇的動物：由少量的腦神經控制著幾個簡單條件反射，並且具有巨大的裸眼可見的神經細胞。驚人完美的研究對象！

兇猛的（？）海兔君即將斬獲諾獎！(＾－＾)V

喵喵喵？聽說有人說我們兇猛(｀?ω?′)

坎德爾決定利用海兔進行學習記憶的的還原論研究--使用最簡單的海兔的神經細胞而不是整個動物。這在當時與主流意見是嚴重偏離的，當時許多優秀的科學家都認為學習不可能發生在固定的神經迴路里，孤立神經元不可能儲存真正意義上的記憶信息。

相信自己的直覺的坎德爾默默分離出了海兔的腹神經節細胞，並嘗試研究巴甫洛夫的三種學習方案：習慣化（habituation）、敏感化(sensitization)以及經典條件反射(classical conditioning)。沒有讓坎德爾失望的是，這些實驗有力地證明了神經突觸強度在學習中確確實實發生了變化。對重複弱電流刺激的習慣化，使得突觸反應強度下降；對強刺激導致的其他突觸的增強形成了敏感化；作為預警的弱刺激就像巴甫洛夫的狗鈴鐺一樣，大大增強了之後的細胞對偶聯強刺激的反應程度。這些離體神經元就和巴甫洛夫的狗一樣！

巴甫洛夫的條件反射實驗

利用這些裸眼可見的簡單神經，坎德爾巧妙證明了突觸強度不是一成不變的，它能夠被不同的刺激組合形式改變。

這段時間，利用烏賊巨大軸突研究神經元的Hodgkin和Huxley獲得了諾獎，坎德爾興奮地告訴同事：我認為學習真的是一個重要的科學問題，但現在沒什麼人搞，誰解決了這個問題，誰就有可能獲得諾貝爾獎！（一語中的╮(╯▽╰)╭）

緊接著坎德爾認為自己應該在活體動物中，直接證明學習能夠改變突觸聯繫的效能。通過對海兔大量行為的詳盡觀察分類，他鎖定了最可能被學習調控的也是最簡單的只有一個神經節支配的行為--縮鰓反射（gill-withdrawal reflex）。

縮鰓反射的簡單模式圖：感覺神經元感受來自虹管皮膚的刺激

並直接與運動神經元形成突觸，產生縮腮反射。

在對海兔的縮鰓反射的研究中，坎德爾證明了短時記憶產生的分子機制，如下圖：由突觸前膜釋放的5-HT（5-羥色胺）作為第一信使，經由G蛋白偶聯受體，催化ATP（腺嘌呤核糖核苷酸）環化成為cAMP，並進一步激活PKA（蛋白激酶A）,從而關閉特異性鉀離子通道S通道，產生慢突觸後膜電位，使得數分鐘的短時記憶成為可能。也就是說，刺激使突觸產生了一連串的生化事件，短時記憶來自於持續幾分鐘的慢突觸電位。

短時記憶產生的分子機制

由沃森和克里克開啟的分子生物學的時代，在這時已經有了一系列重大突破。乘勝追擊的坎德爾利用這些重大突破，進一步闡明了長時記憶的分子機制，如下圖：反覆刺激產生的5-HT使得PKA（蛋白激酶A）向細胞核內轉移，在核內激活一種稱為CREB（環磷腺苷效應元件結合蛋白）的調節蛋白，CREB開啟特殊的基因，產生編碼著建立新的突觸的蛋白的mRNA，並運送至突觸末梢，與朊蛋白樣的CPEB蛋白（胞漿多腺苷化序列元件綁定蛋白）結合，（類似朊蛋白的特性，使得活化的CPEB不斷地得以改變周圍的無活性CPEB，在自我降解的同時不斷自我複製保持數量，這種特性非常適合儲存記憶），mRNA與CPEB結合後得以活化並在突觸末梢不斷合成新的蛋白，強化已有突觸並生長出新的突觸，產生長時記憶。簡單地說，在CREB與CPEB兩種神奇蛋白的作用下，強化的神經元長出新的突觸，這就是長時記憶的基礎。

長時記憶的分子機制（複雜？看不懂？這就對了，不然怎麼拿諾獎╮(╯▽╰)╭）

CREB的發現堪稱心理學一大盛事。它讓各界學者首度窺見永久記憶如何形成。這也意味著人類心靈或許可任人擺布，超乎前人所能想像。當年42歲的基因科學家特利（Tim Tully)得知坎德爾發現CREB後，相當振奮。他嘗試改造果蠅基因，使其大量分泌CREB，因此造就了昆蟲界的天才：記性絕佳的果蠅。一般果蠅不管學什麼，至少需要10次訓練，才學得起來。特利的果繩只需一次訓練即可學會某項任務。特利和坎德爾處於競爭態勢，海兔與果蠅的對決。幾年之後，坎德爾培養出用CREB強化改良的海兔。這些海兔竟然記得起周遭貝殼的螺旋花紋、珊瑣礁的顏色、成對相關的事物、籠子角落的食物，這實在令人難以置信。

許多年以後，Sydney Brenner，一位將線蟲引入生物學的分子遺傳學領軍人物，這樣寫道：選擇一個恰當的實驗對象是生物學研究頭等重要的大事...我們要做的就是找到最好的一個。

功成名就之後，坎德爾依舊堅持在科研前沿不斷產出。他通過一系列的實驗在小鼠中證明了海馬的長時程增強。他還與諾獎得主Tonegawa各自獨立構建出了強大又好用的的基因修飾小鼠工具，不知道造福了多少科學家。

作為一位偉大的科學家，他用一流的科學研究，開創了一個記憶研究的鼎盛時代，並推動著科學不斷向前發展！即便是今天，88歲高齡的坎德爾依舊和同事們在實驗室中進行著令人興奮的研究。

最後，讓我們再次頂禮膜拜坎德爾大神的圍笑(*￣︶￣)

參考文獻：

[1] 追尋記憶的痕迹 In Search of Memory （美）坎德爾 著

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

[1]Effects of cAMP simulate a late stage of LTP in hippocampal CA1 neurons..U Frey ， YY Huang ， ER Kandel .Science 1993

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

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