每年的诺贝尔科学奖，都吸引着世人关切的目光。但随着时间的推移，那些曾被诺奖垂青的研究课题逐渐淡出公众视线。
事实上，诺贝尔奖不仅仅是对那些作出杰出贡献科学家的奖励，从中我们往往可以触摸到世界科技前沿的脉搏，看出各领域十分重要的课题，眺望未来研究的方向。
对于孜孜以求的科学家和永无止境的科学探索而言，摘得诺奖绝非画上句号。随着相关研究的不断深入，一些有趣的、甚至出乎意料的科学真相正被陆续发现。为此，本刊选取近五年获得诺奖的三个研究课题，看看它们为我们带来了哪些新的讯息。
大脑GPS，在蝙蝠隧道起飞
■宇辰 编译
诺奖回放
2014年，英国伦敦大学学院的约翰·奥基夫和挪威卡维里研究所的爱德华·莫泽和梅-布里特·莫泽，因 “发现构成大脑定位系统的细胞”而分享当年的诺贝尔生理学或医学奖。
大脑如何感知空间位置、如何导航，是上世纪70年代以来令神经科学家着迷的一个课题。1971年，伦敦大学学院的约翰·奥基夫率先通过小鼠实验发现，它们大脑中不同区域的细胞对应着其活动区域中不同的位置，并由此在大脑中创造出相应的空间位置认知地图。他将这些细胞称为 “位置细胞”。
30年后，挪威卡维里研究所的爱德华·莫泽和梅-布里特·莫泽夫妇，在海马体附近的内嗅皮层中发现了其他类型的与导航有关的细胞，即 “网格细胞”。小鼠通过网格细胞在大脑中形成了坐标系，就像一个微小的全球定位系统 （GPS），使精确定位和路径导航成为了可能。
斩获2014年诺贝尔生理学或医学奖之后，有关大脑GPS定位的相关研究日益成为神经科学领域的大热门。近年来，以色列魏茨曼科学研究所的神经科学家纳楚姆·乌兰诺夫斯基，则把这项研究带入了一个全新天地。
打破研究惯例
此前，几乎所有关于大脑导航的研究主要集中在实验室的大鼠和小鼠身上，它们总是在实验室的小盒子里四处活动，导航经验相对容易测量。但是不同动物分别在游泳、爬树或飞行时如何感知世界，光凭实验鼠无法得到更多答案。
纳楚姆打破了这一常规做法，他选择了一种十分特别的动物模型——蝙蝠。 “蝙蝠是能飞行的哺乳动物，我们想要了解大脑如何感知三维空间，它就是十分理想的研究对象。蝙蝠的另一个优势在于，它有两套末梢神经感觉系统——视觉系统和回声定位系统，我们可以交替研究这两套系统对相同空间的处理能力，这用大鼠或小鼠模型很难做到。”纳楚姆说。
在纳楚姆的想法付诸实施之前，必须要找到合适的蝙蝠，而更具挑战性的，是要设计从蝙蝠的大脑收集数据的仪器。
此前收集实验鼠大脑的数据是靠植入电极获得，然后传输到电脑上。“很明显，这种方法对飞行中的蝙蝠是行不通的。”纳楚姆开始着手设计无线GPS和小到足以让蝙蝠携带的电生理学设备。他的GPS记录仪是一个5厘米见方、重8克的装置；神经活动记录仪有16根比人的头发还细的电极，重量只有7克，可同时记录多个神经元放电，并可储存几小时的数据。
尽管它们很小，但对许多蝙蝠来说还是太重了，包括体重为20克的“大棕蝙蝠”。于是，他转而决定用埃及果蝠来做实验，它们的体型是实验室大鼠的十倍。
纳楚姆最早的实验是想了解蝙蝠在离开自己栖息地后选择的飞行距离。他给从野外捕捉来的35只蝙蝠配备了GPS记录器，发现它们每晚飞15公里或更远去寻找晚餐，它们甚至能记住某棵果实特别多的果树的准确位置。
他还为他的蝙蝠建造了一些飞行室，最大的约6米长、5米宽、3米高，接近一个壁球场的一半大小。飞行室用金属和一层黑色隔音泡沫塑料隔绝外部噪音和电子信号的干扰，保持飞行室里的绝对安静；照明灯光可从昏暗调到非常暗，里面配备了摄像机、可供蝙蝠悬挂在上的着陆球，以及用水果引诱它们的喂食站。
在隔壁的控制室里，蝙蝠以微小的光点在屏幕上移动。每只蝙蝠都携带有一个红色发光二极管，蝙蝠在飞行室里飞行时，摄像机会跟踪它们的活动，另外还有神经记录仪对它们的大脑活动进行监测。
纳楚姆通过这样的实验设置来揭示典型的蝙蝠导航神经元3D分布区域。例如，大鼠位置细胞的分布呈特定大小的扁平圆圈，而飞行中蝙蝠的位置细胞分布近乎球形。他还对蝙蝠的头向细胞是如何进行3D导航的进行研究，并发现了另一种类型的导航细胞，即研究人员一直在寻找的 “矢量细胞”，它能追踪某个特定目标的角度和距离。
隧道设想
对于脑科学家来说，在高度简化的实验室中，研究会受到各种限制。纳楚姆真正感兴趣的是自然行为的神经基础：在飞行室外蝙蝠更为自然的行为中，它们大脑中的那些神经细胞将如何导航。
监测野外活动蝙蝠的位置不太可能，因为蝙蝠的活动范围太大，摄像机无法跟踪拍摄，另外GPS也无法提供足够高的分辨率。因此，纳楚姆想到了一个最好的选择——建造人工隧道。他在魏茨曼科学研究所的一块废弃空地上，为蝙蝠建造了一条长200米的飞行隧道。
当蝙蝠在隧道里飞行，它们身上携带着微小信号装置，间隔放置在隧道外部、可接收无线电信号的15根天线会实时监测它们的确切位置，并通过Wi-Fi将数据发送到隧道入口的工作站，在那里重建蝙蝠完整的三维运动轨迹。整套实验装置的建造成本约为90万以色列谢克尔 （约合25万美元）。
“纳楚姆的大胆令人印象深刻。”2014年诺贝尔生理学或医学奖得主爱德华·莫泽表示， “他的方法会让重要的新问题得到解决。”
自2016年3月蝙蝠在隧道里首次飞行以来，纳楚姆和他的学生们收集了来自不同蝙蝠的200多个神经元数据，这些早期数据给他们带来了一些很有意思的启示。例如，纳楚姆发现，某个细胞会在一个小区域内的某个位置被激发，但在较大区域里也会在不同的位置上被激发，这表明位置细胞可能代表多个空间点，而不仅仅是某个特定的空间点，研究人员在之前较小的实验场地中一直未能发现这种模式。
纳楚姆需要更多数据来证实这一点，他说， “如果位置细胞的定位都只限制在实验室大小的范围内，海马区不可能容纳足够多的单个神经元用于蝙蝠长途飞行中的定位，所以一些位置细胞会做出多尺度的响应是很有道理的。”
更复杂的迷宫飞行
基于这一想法，纳楚姆设计了一个更大更好的隧道。今年早些时候，由一个私人赞助商提供了所需900万谢克尔资金的一半，帮助纳楚姆建造了一条1千米长、安装有密集有线天线的隧道。在这里，研究人员可以更好地观察蝙蝠如何在更大区域内进行精确3D定位。这条隧道还有一个15米长的岔道，可供科学家们研究同样的神经元对长短距离飞行的反应，以及大脑如何将这两个尺度的定位地图整合在一起。
“这是一项介于现实世界和实验室环境之间的实验。”美国贝勒医学院研究大鼠和猴子大脑空间导航和决策的神经科学家朵拉·安吉拉奇说。行为神经科学家越来越意识到，改变使用实验动物的传统做法对于大脑实验是多么重要。在典型的实验室实验中，经过训练的动物通常会执行一些特定任务，但这与动物如何进行大脑连接可能完全没有关系。
然而，正如爱德华·莫泽所指出的那样，隧道里的蝙蝠毕竟没有像在野外找到果树的野生蝙蝠那样聪明，“在隧道里飞行和降落并不需要太多脑力。”因此，纳楚姆正在考虑进行一项更为雄心勃勃的实验计划，他正在为建造一个40米宽、60米长的迷宫寻求资金。
这个迷宫比一个足球场的一半略小一些，将由相互连接的隧道组成。蝙蝠不可能一眼就能看到目标 （通常是某种食物，比如一根香蕉），相反它将不得不依赖于它留在认知地图上的记忆。纳楚姆设想了一系列复杂的实验，例如设定多个目标，或者突然阻断蝙蝠记忆中的路径等。
“现有技术允许我们使用无线电生理技术记录自由活动的动物，借助无线光遗传技术、摄像机阵列、运动传感器等这些几年前还无法想象的装置，可以让我们从真正意义上第一次开始研究动物自然行为的神经基础。”纳楚姆想找出以下一系列问题的答案：蝙蝠如何在几个目标之间做出选择，或者重新计算一条新的路径？当蝙蝠迷失方向时，这些导航细胞会做出何种反应？大脑里的向量细胞是否开始疯狂运转？这些都是令人着迷的未解之谜。