作者/文龍

一年一度的「Eppendorf & Science神經生物學獎」是由全球領先的德國生物技術公司Eppendorf和頂級學術期刊《科學》（Science）共同頒發，授予在過去三年中對神經生物學研究做出傑出貢獻的青年科學家，以此鼓勵他們繼續從事相關研究。

經過由《科學》雜誌領銜的獨立科學家所組成的委員會的評審，2020年的獎項產生了3名候選人，分別是普林斯頓神經科學研究所的博士後研究員克里斯托弗·齊默爾曼（Christopher Zimmerman）、馬里蘭大學巴爾的摩郡分校的助理教授塔拉·勒蓋茨（Tara LeGates ）以及加州大學舊金山分校博士後研究員裡卡多·貝爾特拉莫（Riccardo Beltramo）。

Zimmerman的論文研究重點是控制口渴和飲酒行為的神經機制；LeGates 的研究確定了海馬體-伏隔核突觸和獎勵行為的強度和可塑性；Beltramo則是透過研究小鼠視覺系統中的感官感知了解皮層和皮下神經迴路如何處理視覺資訊來驅動行為。最終，「Eppendorf & science神經生物學獎」以及25,000美元的獎金花落Zimmerman。

「Christopher Zimmerman在一篇引人入勝的文章中描述了每個人日常經歷的現象背後的神經生物學。」《科學》高階編輯兼獎評審團主席彼得·斯特恩（Peter Stern）博士說道，「這項工作可以幫助我們理解為何會迅速感到口渴，在用餐時感覺如何變化，以及為什麼冷飲具有止渴能力等問題。」

Eppendorf公司聯合執行長伊娃·範·佩爾特（Eva van Pelt）表示：「Eppendorf希望獎勵和突出在神經生物學領域進行卓越研究的年輕職業科學家。我們過去的獲獎者都在繼續經營著自己成功的實驗室，並已成為各自領域的意見領袖。」

為什麼會口渴？

圖｜Christopher Zimmerman。Christopher Zimmerman本科畢業於匹茲堡大學，博士畢業於加州大學舊金山分校，現是普林斯頓神經科學研究所的博士後研究員，研究方向為動機行為背後的神經過程。

我們每天都會感到口渴，但是這種感覺從何而來？在上世紀50年代，本格·安德森（Bengt Andersson）提出了一個誘人的答案：大腦中可能包含控制口渴的「滲透感測器」，該感測器由一組細胞組成，這些細胞透過直接監測血液的滲透壓來感知何時我們脫水。Andersson還往山羊的大腦中注入鹽水以進行實驗，最終在下丘腦內發現了一小片區域，這個大腦區域包含穹窿下器官（subfornical organ, SFO），由於它位於血腦屏障之外，特別適合檢測血液滲透壓。

雖然滲透壓感測器模型解釋了脫水是如何產生口渴的，但卻無法解釋為什麼快速的飲水行為可以迅速緩解口渴，要知道血液滲透壓的緩慢變化是需要更長的時間傳導到我們大腦中。那麼，大腦是如何橋接這些不同的時間尺度，使得大腦能夠動態調節口渴感？

實際上，SFO神經元不僅僅只是簡單的滲透壓感測器。Christopher Zimmerman和他的同事透過觀察小鼠的神經訊號發現，每當小鼠在水瓶裡舔的時候，SFO神經元的活性就會減少，但每咬一口食物活性就會增加。這一違反直覺的發現表明，長期以來被視為脫水的被動感測器的SFO神經元必須接收第二類更快的訊號。

消化過程會產生即時訊號。Zimmerman追蹤了小鼠消化道內的流體，發現了口腔中的液體檢測會觸發近乎瞬時的抑制訊號，該訊號會密切跟蹤攝入的量。並且溫度感測有助於此過程——喝冷水可以最有效地抑制SFO神經元，這也許可以解釋為什麼喝冷飲會感到十分解渴和愉悅。但進食會觸發其他訊號，啟用SFO神經元，進而導致如果沒有飲水則需停止進食。這一發現為廣泛的飲食調節提供了神經學基礎。

既然SFO神經元有多種輸入，那麼構成口渴系統的單個細胞是如何處理訊號？是並行還是相互作用？實驗結果給出了一個簡單的處理邏輯：來自口腔、腸道和血液的訊號匯聚到同一單個神經元上，從而使每個細胞能夠持續整合有關當前水合狀態的資訊與持續攝入的預測結果。

Zimmerman表示：「這是一個令人振奮的發現，因為這是我們第一次解釋了某些人類日常的行為背後的機理。」

獎勵積分器

圖｜Tara LeGates。Tara LeGates本科畢業於瑞德大學，博士畢業於約翰斯·霍普金斯大學，在馬里蘭大學完成了博士後研究，現在是馬里蘭大學巴爾的摩郡分校的助理教授，研究方向為神經元迴路如何透過整合資訊來調節精神疾病的行為以及行為的變化。

獎勵是有力的刺激，可以驅動和加強目標導向的行為。獎勵被編碼在不同的大腦區域，因此與獎勵相關的行為需要對來自多個大腦區域的訊號進行適當的功能整合，但是整合的基本途徑和潛在機制仍然難以捉摸。Tara LeGates 的研究發現，這種行為的關鍵介質是海馬體和伏隔核（nucleus accumbent, NAc）之間的聯絡。

NAc從多個大腦區域接收資訊，將其整合以處理獎勵性刺激並調節享樂反應；海馬體參與調節上下文學習和記憶，這對於生物體返回先前獎勵位置以再次獲得該獎勵的能力至關重要。海馬體向NAc輸入，驅動了神經元活動，而可卡因等獎勵性刺激會增強這兩個核之間的連通性。

LeGates 使用小鼠腦切片中的全細胞電生理學，證明了海馬體-NAc突觸可以透過長期增強（long-term potentiation, LTP）以活動依賴的方式得到加強。為了確定這種增強在調節獎勵相關行為方面的相關性，研究團隊進行了條件性位置偏愛實驗（conditioned place preference, CPP），結果表明海馬體的興奮性輸入對推動NAc活動很重要，它調節了與獎勵相關的行為，而這種突觸的增強本身就是有回報的。

LeGates 解釋：「海馬體、伏隔核，還有獎勵行為的交流強度之間存在著雙向關係——當交流強度增加時，會產生促進獎勵相關行為的獎勵；當削弱這種交流，就導致了獎勵行為的缺乏或中斷。」

海馬體-NAc突觸是獎勵的關鍵調節器，對這一目標迴路的進一步研究將繼續擴大對抑鬱症的潛在病理生理學和抗抑鬱反應機制的理解，從而填補我們對抑鬱症的認識方面一個重大空白。

新的初級視覺皮層

圖｜Riccardo Beltramo。Riccardo Beltramo本科畢業於都靈大學，博士畢業於義大利理工學院，在加州大學聖地亞哥分校的霍華德·休斯醫學研究所和加州大學舊金山分校完成了博士後研究，研究方向為視覺系統的感官感知。

十九世紀中葉，帕維亞大學教授巴託洛梅奧·帕尼扎（Bartolomeo Panizza）觀察到中風後大腦後部失明的患者並大膽宣稱：視覺功能位於大腦皮層。Panizza對動物進行了有針對性的皮層切除術，證實了他的假設，即專門用於視覺處理的皮層區域，該區域被稱為主要視覺皮層（V1）。

確實，從齧齒動物到靈長類動物，V1的損傷會嚴重損害所有已知的更高視覺皮層的視覺反應。因此，長期以來，V1被認為是皮層中所有視覺誘發活動的驅動因素。Riccardo Beltramo透過實驗發現了一個所謂的高階視覺區域完全不依賴V1的活動，這個區域被稱為POR腦區。

那麼，POR是怎麼獲得視覺輸入的呢？臨床上V1病變的盲人仍然對移動的刺激能夠做出反應，並沒有自發地感知它們。這種有趣的現象被認為依賴於一種稱為上丘（superior colliculus, SC）的系統發育古老結構。SC是許多脊椎動物的主要視覺處理器，而POR就是從SC這個中腦結構中接收視覺資訊的。

Beltramo使用順行經突觸病毒示蹤劑，建立了SC和POR之間的雙突連線，並發現膠質軸突所針對的神經元直接支配POR。接著，在兩棲動物的開創性實驗中，SC展示了對小型運動物體表現出強大的反應。

「而這一發現，在某種意義上，打破了長期依賴的教條，展示了一種新的初級視覺皮層。」Beltramo表示他發現了一個視覺皮層資訊輸入的新入口。

參考內容：

https://science.sciencemag.org/content/370/6512/45

https://science.sciencemag.org/content/370/6512/46.1

https://science.sciencemag.org/content/370/6512/46.2