編輯的話：去年，果殼網(wǎng)科學(xué)人報(bào)道了一篇發(fā)表在《自然》上的論文。撰寫報(bào)道時(shí)，我采訪了論文作者劉旭博士，他不但親切詳細(xì)地回答了所有采訪問題，還仔細(xì)審閱了稿件并提出修改意見。臨了劉旭對(duì)我說：“這次合作愉快，希望今后能有機(jī)會(huì)繼續(xù)！”誰料，這樣的機(jī)會(huì)，竟已永遠(yuǎn)消失。前不久，我收到復(fù)旦大學(xué)丁澦老師的郵件，才驚悉劉旭博士去世的消息。為了紀(jì)念英年早逝的同窗好友，丁澦寫了以下文字：
一個(gè)月前，我的好友劉旭（Liu Xu）去世了。這個(gè)世界上最頂尖的記憶研究者之一，對(duì)小鼠記憶進(jìn)行操縱的先驅(qū)科學(xué)家，最后卻以一場(chǎng)猝不及防的病逝在親朋好友中留下了一片難以忘卻的傷感記憶。
我認(rèn)識(shí)劉旭已經(jīng)19年了。七年同窗，劉旭那過人的天賦和過人的勤勉，至今仍歷歷在目。他1996年至1999年就讀于復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院理科基地班，是我們班的小班長。劉旭用3年半的時(shí)間就完成本科學(xué)業(yè)，以優(yōu)異成績獲學(xué)士學(xué)位，直升復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遺傳學(xué)系研讀碩士。后來，他師從喬守怡教授，主要研究一系列人類新基因在果蠅中的克隆、表達(dá)和功能。
2002年至2008年，劉旭作為博士生在貝勒醫(yī)學(xué)院（Baylor College of Medicine）分子與細(xì)胞生物學(xué)系羅納德·戴維斯（Ronald L. Davis）教授實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了果蠅記憶相關(guān)的研究，邁入了記憶研究領(lǐng)域。這期間，這位大學(xué)時(shí)同學(xué)眼中的“學(xué)神”在《自然·神經(jīng)科學(xué)》等主流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了多篇論文。
隨后，劉旭加入麻省理工大學(xué)（MIT）諾貝爾獎(jiǎng)獲得者利根川進(jìn)教授的實(shí)驗(yàn)室，以小鼠為模型進(jìn)行了記憶相關(guān)的研究，相關(guān)研究和評(píng)述發(fā)表在《自然》《科學(xué)》和《細(xì)胞》等頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊。他們給小鼠移植虛假記憶的杰出工作還入選《科學(xué)》評(píng)選的2014年度全球十大科學(xué)突破。劉旭及其合作伙伴斯蒂夫·拉米雷斯（Steve Ramirez）因?yàn)椴倏v記憶的突破性工作獲得2014年度美國史密森尼創(chuàng)造力大獎(jiǎng)（Smithsonian American Ingenuity Award），并兩次受邀在廣為互聯(lián)網(wǎng)科技迷所熟知的TED大會(huì)演講。
短短幾年間，劉旭就達(dá)成了在頂尖的“CNS”（Cell，Nature和Science）發(fā)文的成就。2015年起，劉旭被位于芝加哥的西北大學(xué)聘為神經(jīng)生物學(xué)系助理教授。我和同學(xué)們都在憧憬著，在不遠(yuǎn)的將來，他將把他在MIT尚未完成的記憶研究深入推進(jìn)，為推進(jìn)人們對(duì)大腦的認(rèn)知做出更杰出的貢獻(xiàn)。
直到一個(gè)越洋電話，讓這一切戛然而止。2月8日，劉旭在芝加哥寓所因突發(fā)疾病驟然離世。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者利根川進(jìn)在他追思會(huì)上說：“劉旭是標(biāo)記和操縱記憶領(lǐng)域研究的第一人，他的貢獻(xiàn)會(huì)永遠(yuǎn)留在人類的集體記憶中?！?/p>
我想，對(duì)他最好的紀(jì)念，也許就是將其突破性的科學(xué)貢獻(xiàn)介紹給世人，使大家知道曾經(jīng)有這么一位杰出的華人科學(xué)家，就這么低調(diào)地生活在他們身邊，兢兢業(yè)業(yè)地做出了劃時(shí)代的工作。
現(xiàn)在，小學(xué)生都能理解“人類依靠大腦進(jìn)行學(xué)習(xí)和記憶”這一基本常識(shí)。但其實(shí)，直到1664年，英國牛津大學(xué)的托馬斯·威利斯（Thomas Willis）才第一次明確指出是大腦而非心臟是思維的器官。隨后的幾個(gè)世紀(jì)，科學(xué)家們致力于將大腦各個(gè)區(qū)域的功能加以明確。比如在1920年代，美國著名心理學(xué)家卡爾·拉施里（Karl Lashley）提出，記憶的缺陷程度與腦損傷的具體部位無關(guān)，而只和損傷的大小有關(guān)，因此記憶不是儲(chǔ)存在特定部位，而是彌散在大腦里的[1]。他的觀點(diǎn)流行了很多年，直到1957年，斯克維爾（Scoville）與米爾納（Milner）才在關(guān)于著名的癲癇病人亨利·莫萊森（Henry Molaison，即H.M.）的病例報(bào)告中提出新的觀點(diǎn)：他們將長時(shí)程記憶定位到大腦的海馬區(qū)，而不是拉施里所說的彌散分布[2]。H.M.因?yàn)檐嚨満筮z癥造成的嚴(yán)重癲癇，不得不在27歲時(shí)接受手術(shù)，吸除了大部分的海馬組織。他術(shù)后出現(xiàn)非常嚴(yán)重且奇特的后遺癥——盡管他具有完好的短期記憶，但因?yàn)楹ｑR受損，無法將短期記憶轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期記憶了，與此同時(shí)，他依然會(huì)做他在27歲前學(xué)會(huì)的事情，也記得他小時(shí)候的事情[3]。后來的各種研究結(jié)果提示，記憶很可能是存在于特定腦細(xì)胞中的，而這些細(xì)胞主要集中在腦中的小塊區(qū)域：海馬（Hippocampus）和杏仁核（Amygdala）。這已成為科學(xué)界的普遍共識(shí)。
然而，在面對(duì)如何精確定位這些特定腦細(xì)胞、改變細(xì)胞功能的問題時(shí)，科學(xué)家們卻始終不得其法。在這個(gè)大背景下，劉旭和同事利用光遺傳學(xué)（Optogenetics）方法，不僅巧妙地標(biāo)記了與特定記憶相關(guān)的神經(jīng)元，而且通過操縱神經(jīng)元活動(dòng)激活了以往的記憶，并進(jìn)一步給小鼠移植了虛假記憶。后來，他們又把記憶定位到腦內(nèi)更精確的區(qū)域，鑒定了海馬和杏仁核在記憶過程中的各自獨(dú)特作用。
對(duì)劉旭的開創(chuàng)性工作影響最大的，是對(duì)兩種新技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用——一系列轉(zhuǎn)基因小鼠品系的建立，以及光遺傳學(xué)操縱技術(shù)的成熟。正是將這兩種技術(shù)進(jìn)行了巧妙的整合，劉旭得以標(biāo)記特定的細(xì)胞并通過激光對(duì)這群負(fù)責(zé)特定記憶的細(xì)胞進(jìn)行了操作。
他們最終選定轉(zhuǎn)入了光敏感通道的轉(zhuǎn)基因小鼠，它們的某些特定基因可被四環(huán)素（Tet）或其結(jié)構(gòu)類似物多西環(huán)素（Dox）所調(diào)控。通俗地說，他們相當(dāng)于將光敏感通道的基因轉(zhuǎn)到小鼠里，并且在前面放了兩組“開關(guān)”。這兩組“開關(guān)”串聯(lián)，必須同時(shí)開放才可最終生產(chǎn)光敏感通道。
其中一組開關(guān)由多西環(huán)素所控制，只要給小鼠吃含有多西環(huán)素的鼠糧，對(duì)應(yīng)的“開關(guān)”就處于關(guān)閉狀態(tài)，光敏感通道不能被生產(chǎn)出來。相反，小鼠的食物中不含多西環(huán)素，這一組開關(guān)就打開了。第二組開關(guān)則負(fù)責(zé)控制具體在哪些神經(jīng)元里面允許生產(chǎn)光敏感通道蛋白。
其他科學(xué)家前期的研究表明，在分子生物學(xué)層面，當(dāng)形成新記憶的時(shí)候，涉及到一系列新蛋白質(zhì)的合成，其中c-fos就是其中一個(gè)被激活的基因。每當(dāng)受到新的刺激時(shí)，相應(yīng)的神經(jīng)元被激活后會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)表達(dá)c-fos蛋白。劉旭等人把控制c-fos表達(dá)的啟動(dòng)子作為第二套“開關(guān)”加在了多西環(huán)素開關(guān)的前面。這樣在轉(zhuǎn)基因小鼠里，只有活躍的神經(jīng)元才會(huì)在兩組開關(guān)的共同作用下，產(chǎn)出光敏感通道蛋白。
如果將劉旭與他的同事比作射擊運(yùn)動(dòng)員，那么這兩重開關(guān)能確保他實(shí)現(xiàn)對(duì)特定活動(dòng)目標(biāo)的精確射擊：多西環(huán)素控制的第一重開關(guān)相當(dāng)于是槍的保險(xiǎn)，非選擇性地針對(duì)所有神經(jīng)元，作為第二重開關(guān)的c-fos啟動(dòng)子則相當(dāng)于扣動(dòng)扳機(jī)前的瞄準(zhǔn)過程，確?！吧鋼粽摺蹦苡械姆攀福瑢Ｒ恍缘蒯槍?duì)特定活躍的神經(jīng)元進(jìn)行射擊。
假定兩組開關(guān)都打開，目標(biāo)神經(jīng)元生產(chǎn)出的光敏感通道又有什么用呢？這就涉及到第二種突破性的技術(shù)，光遺傳學(xué)。2010年，劉旭和利根川進(jìn)在《細(xì)胞》上發(fā)表評(píng)述，詳細(xì)介紹了光遺傳學(xué)發(fā)展的重要事件[4]。在過去的幾十年間，科學(xué)家開發(fā)了多種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來標(biāo)記或者控制神經(jīng)元，但卻一直沒有很好的方法能同時(shí)在時(shí)間上和空間上實(shí)現(xiàn)對(duì)特定細(xì)胞的精確操縱——直到光感離子通道被開發(fā)出來，并在一代又一代的革新中投入應(yīng)用。
光感離子通道的特性就是在特定波長的光照刺激下，會(huì)專一地開放其通道，讓特定的陽離子或者陰離子大量通過細(xì)胞膜，從而造成細(xì)胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，最終造成該神經(jīng)元選擇性地興奮或者抑制。
光感離子通道存在相當(dāng)于新建了一條平行于該神經(jīng)元固有活性外的新通路。研究者可以通過控制光的有無，來模擬特定神經(jīng)元在接受特定刺激時(shí)的反應(yīng)。劉旭等人選擇的光感離子通道對(duì)藍(lán)光敏感，因此只要給那些轉(zhuǎn)基因小鼠頭部做個(gè)小手術(shù)植入光纖，使光能直接照射到相應(yīng)神經(jīng)元，那么一旦光纖另一端給予藍(lán)光脈沖，帶有光敏感通道的神經(jīng)元就會(huì)被模擬激活。
除了空間定位準(zhǔn)確外，光遺傳學(xué)方法在時(shí)間上也更加到位。如果用傳統(tǒng)給藥方法，從給藥到藥物發(fā)揮功能需要一定的時(shí)間，而且觀察后期去除這些藥物較為困難，而光刺激卻可在幾個(gè)毫秒內(nèi)就打開光感離子通道，而在停止光刺激之后又能快速關(guān)閉光感離子通道。因此，雖然光遺傳學(xué)的概念提出至今也就十來年，其應(yīng)用卻是非常廣泛，現(xiàn)在，除了將光遺傳學(xué)應(yīng)用到精神疾病的機(jī)制研究外，科學(xué)家們還直接在小鼠模型里將光敏感蛋白表達(dá)在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞上，替代視網(wǎng)膜上退化的感光細(xì)胞，讓疾病小鼠重見光明[5]。
技術(shù)平臺(tái)搭建完成后，劉旭和同事接下來完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中最巧妙的部分——標(biāo)記對(duì)應(yīng)某個(gè)特定記憶的細(xì)胞。他們以逸待勞，首先讓這些負(fù)責(zé)特定記憶的細(xì)胞自我暴露，并且在暴露后全部都被標(biāo)記，之后在需要操作它們的時(shí)候，用一束藍(lán)色激光照射即可。
前面提到過那些轉(zhuǎn)基因小鼠，平時(shí)一直喂食含有多西環(huán)素的鼠糧，此時(shí)沒有光敏離子通道表達(dá)。準(zhǔn)備開始給小鼠植入記憶時(shí)，他們首先停止喂食多西環(huán)素，打開了第一重開關(guān)，隨后選擇一個(gè)特定的刺激，比如輕微電擊等，以使小鼠對(duì)恐懼相關(guān)的神經(jīng)元激活，使只負(fù)責(zé)形成恐懼記憶的神經(jīng)元的第二重開關(guān)也被打開。從此，這些神經(jīng)元內(nèi)光敏離子通道開始合成。通過這一精巧設(shè)計(jì)，小鼠腦中就有且只有負(fù)責(zé)恐懼記憶相關(guān)的神經(jīng)元會(huì)表達(dá)光敏離子通道。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，只要通過激光開關(guān)控制再次激活這些光敏離子通道，就能重新模擬特定記憶了[6]。
在之后的研究中，劉旭和同事設(shè)計(jì)各種不同的場(chǎng)景，并通過各種組合激活這些記憶，最終使得小鼠形成一個(gè)新記憶，但這個(gè)記憶的內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)中從未真正發(fā)生過，也就是一個(gè)虛假的記憶。整個(gè)精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一氣呵成，令人叫絕[7]。
簡單來說，就是將待測(cè)試轉(zhuǎn)基因小鼠放在一個(gè)特定的環(huán)境A中，標(biāo)記它記錄有關(guān)環(huán)境A記憶的腦細(xì)胞。然后將小鼠放在一個(gè)完全不同的環(huán)境B中，喚起小鼠對(duì)環(huán)境A的記憶，同時(shí)給予小鼠輕微的電擊，使小鼠錯(cuò)誤地認(rèn)為它是在環(huán)境A中受電擊。劉旭等人發(fā)現(xiàn)，隨后小鼠被放回環(huán)境A中時(shí)，盡管該環(huán)境從未有過電擊危險(xiǎn)，但由于這個(gè)虛假記憶的存在，它們還是而對(duì)環(huán)境A產(chǎn)生恐懼。
在同行類似課題的壓力下，在歷經(jīng)無數(shù)次失敗和摸索改進(jìn)后，劉旭和同事這些耗費(fèi)心力的工作，最終化作2012年和2013年在《自然》和《科學(xué)》上引起轟動(dòng)的兩篇論文。劉旭在接受采訪時(shí)說：“我們的研究從實(shí)驗(yàn)上證明了人為改造記憶的可能性。這是第一次形成一個(gè)獨(dú)立的虛假記憶。以前有過類似的研究，但無法產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)得到的虛假記憶，而只是一個(gè)與真實(shí)記憶融合在一起，無法區(qū)分的混合記憶?！?/p>
劉旭的杰出工作在國內(nèi)也引起了很好反響，2013年，復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院請(qǐng)他回來進(jìn)行學(xué)術(shù)交流——那應(yīng)該是2002年出國之后，劉旭的第二次短期回國，趁此機(jī)會(huì)，我們生科院也邀請(qǐng)他回來看看，和同學(xué)們交流一下科研工作和感悟。我也終于有機(jī)會(huì)和劉旭進(jìn)行深入交流。
那時(shí)，劉旭已在美國各高校開始了求職巡游。我曾側(cè)面問他有沒有回國的打算，對(duì)很多想過安穩(wěn)日子的人來說，這是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。但劉旭卻有更高的目標(biāo)。對(duì)他來說，科研和工作的本質(zhì)更加純粹，而國內(nèi)的學(xué)術(shù)氛圍還不能讓他滿意。雖然在美國，他可能只會(huì)有一個(gè)與國內(nèi)相比非常小的實(shí)驗(yàn)室，所有事情都要親歷親為，但他更樂意這樣純粹的科研環(huán)境。
那時(shí)，劉旭的科研引擎還在一刻不停地推動(dòng)著更多結(jié)果的產(chǎn)出。2014年，他所在的實(shí)驗(yàn)室再一次在《自然》發(fā)表論文。在這篇論文中，他們深入研究了對(duì)記憶至關(guān)重要，卻又不可相互取代的海馬區(qū)（標(biāo)記背側(cè)齒狀回，DG）和杏仁核（標(biāo)記杏仁核基底外側(cè)復(fù)合體，BLA）[8]。該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過將一種積極或消極記憶與多種刺激聯(lián)系起來，可以改變與DG特定細(xì)胞群相聯(lián)系的情緒，卻不能改變與BLA特定細(xì)胞群相聯(lián)系的情緒。這項(xiàng)驚人的神經(jīng)科學(xué)研究結(jié)果，革新了更多人腦海中對(duì)“可能性”的定義。
2012年《自然》通過光遺傳學(xué)方法激活記憶痕跡（memory engram）的研究，2013年《科學(xué)》操縱記憶痕跡細(xì)胞以產(chǎn)生虛假記憶的研究，以及2014年再度發(fā)表在《自然》通過記憶痕跡細(xì)胞改變記憶價(jià)（memory valence，定義為與某個(gè)記憶相聯(lián)系的正面或負(fù)面的情緒）的研究論文，構(gòu)成了完整的三部曲，使記憶痕跡理論深入到分子生物學(xué)層面。對(duì)腦科學(xué)感興趣的果殼網(wǎng)友不妨讀一下劉旭作為第一作者剛發(fā)表在《冷泉港定量生物學(xué)專題》的綜述，該文在系統(tǒng)地介紹了記憶痕跡理論產(chǎn)生和發(fā)展的關(guān)鍵事件的基礎(chǔ)上，以最通俗的方式介紹了他們操縱記憶三部曲的工作[9]。
然而，正當(dāng)越來越多的人為神經(jīng)科學(xué)的新能力而驚嘆的時(shí)候，那個(gè)曾向他們展示這種能力的人卻永遠(yuǎn)地離去了。
不久前，劉旭才終于選定了他心目中理想的學(xué)校，位處芝加哥的西北大學(xué)。他在大雪中驅(qū)車千里趕到他在芝加哥的新家，愉悅地開始他獨(dú)立PI的生涯，并憧憬在安定后，開始他幸福美滿的家庭生活……誰也想不到，這富有希望的一切，竟以這樣的方式戛然而止。
劉旭是不是已經(jīng)在自己的腦海中設(shè)計(jì)好了進(jìn)一步探索記憶奧秘的精巧實(shí)驗(yàn)？我們?cè)僖矡o法得知。但可以肯定的是，即便要花更多的時(shí)間和精力才能將那些設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，他的同行仍會(huì)將劉旭未竟的事業(yè)進(jìn)行下去。很遺憾，我們?cè)僖矡o法聽劉旭講述他關(guān)于記憶的新故事，但他的工作，已為整個(gè)腦科學(xué)研究領(lǐng)域開拓了一片新的大陸。
劉旭與史蒂夫在TED大會(huì)的演講。視頻來源：ted.com
最后要謝謝各位被我騷擾并要求提出修改意見的各位好友，謝謝你們的中肯意見，希望此文能通俗易懂，激發(fā)更多的年輕人熱愛科學(xué)。
（編輯：Calo）
聯(lián)系客服
