原創(chuàng) 一只哈代 果殼

在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是很多研究的必經(jīng)之路。人們習(xí)慣用“小白鼠”來(lái)指代科研中用到的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，但實(shí)驗(yàn)動(dòng)物卻不只有小鼠，還有線蟲(chóng)、斑馬魚、果蠅、裸鼴鼠、兔、狗、猴，以及——

我們親愛(ài)的喵星人。

是的，這種擁有大批“貓貓教”信徒的可愛(ài)小動(dòng)物，還有另一重身份：持證上崗的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

現(xiàn)在，讓我們了解一些諾獎(jiǎng)背后貓貓的故事。

1912年：經(jīng)歷過(guò)腎臟移植的貓

貓和諾獎(jiǎng)的淵源可以追溯到1912年。

那一年，法國(guó)醫(yī)生亞歷克西斯·卡雷爾（Alexis Carrel）憑借血管三點(diǎn)吻合術(shù)和器官移植方面的工作被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。卡雷爾后來(lái)因?yàn)檎涡叛鍪艿皆嵅?，但憑借年輕時(shí)的突出成就，他還是被稱作“器官移植之父”，和這個(gè)稱號(hào)一起被提及的還有他在各種動(dòng)物身上開(kāi)展的一系列器官移植實(shí)驗(yàn)。

關(guān)于卡雷爾，流傳最廣的故事或許是他曾成功將一只狗的兩顆腎臟移植到另一只事先做過(guò)腎臟移植的狗身上。其實(shí)，他也曾在貓身上成功進(jìn)行了雙腎移植手術(shù)，而且，1908年他在貓身上首次成功完成的單腎臟移植手術(shù)，證實(shí)了單腎移植即可維持正常的生命活動(dòng)。

經(jīng)歷過(guò)腎臟移植手術(shù)的貓，這是它術(shù)后21天時(shí)的樣子，拍攝時(shí)它正在看一片肉丨參考文獻(xiàn)[1]

經(jīng)歷過(guò)腎臟移植手術(shù)的貓，這是它術(shù)后21天時(shí)的樣子，拍攝時(shí)它正在看一片肉|參考文獻(xiàn)[1]

翻閱卡雷爾發(fā)表于1906-1908年期間的論文，能看到大量關(guān)于貓的腎臟移植手術(shù)的記錄：

實(shí)驗(yàn)9.—— 1907年10月14日

準(zhǔn)備宿主：灰白的母貓，住在實(shí)驗(yàn)室中數(shù)月；年輕且身體很好。

10月1日，檢查尿液——呈黃色、清澈狀態(tài)，密度 1.039，尿素 5.9克每毫升，沒(méi)有白蛋白。像往常一樣打開(kāi)腹部和內(nèi)臟。腸道由用消毒且涂有凡士林的日本絲質(zhì)毛巾保護(hù)。雙腎的解剖和摘除：結(jié)扎卵巢靜脈、下腎上靜脈和兩個(gè)主動(dòng)脈側(cè)枝。

……

10月15日 貓有一點(diǎn)病容，喝水，在它的籠子里走來(lái)走去。從昨天下午四點(diǎn)到現(xiàn)在只有25毫升的尿液，深黃色，有一點(diǎn)血和白蛋白，密度 1.051。

10月16日 貓有好轉(zhuǎn)，喝牛奶并吃了一點(diǎn)肉，尿量16毫升。

10月17日 狀態(tài)很好，喝牛奶，吃了肉。

10月18日 同上

10月21日 貓已經(jīng)完全恢復(fù)，和術(shù)前一樣是只正常的貓。

……

11月7日 貓有點(diǎn)抑郁，在它的籠子里走來(lái)走去。

11月14日 早上貓看起來(lái)很好，但是晚上它看上去病了，它的鼻子里發(fā)出聲音，拒絕吃飯。

11月18日 貓很虛弱

11月19日 下午一點(diǎn)死亡。

得益于卡雷爾證明了“切除雙腎后，僅靠移植單側(cè)腎臟就可以挽救生命”，人們意識(shí)到，捐獻(xiàn)者只需捐獻(xiàn)一半的腎臟便可以挽救生命，這也為后來(lái)的活體腎臟移植埋下了伏筆。

在隨后的幾十年中，隨著技術(shù)的發(fā)展，終于在 1954年，美國(guó)哈佛大學(xué)的約翰·梅里爾（John P. Merrill）和戴維·休姆（David Hume）醫(yī)生成功進(jìn)行了人類歷史上第一次活體器官移植，將同卵雙胞胎弟弟的一側(cè)腎臟，成功捐獻(xiàn)給了他患有尿毒癥的哥哥，就這樣，哥哥的生命多延續(xù)了八年，而且失去了一側(cè)腎臟的弟弟也安然活到了79歲。

對(duì)當(dāng)時(shí)的人來(lái)說(shuō)，尿毒癥是無(wú)異于腫瘤的絕癥，五年生存率并不高。而活體腎臟移植的成功，無(wú)疑給患者帶來(lái)了生存的希望。

1932年：貓的課堂

在卡雷爾的貓接受器官移植的同一時(shí)期，神經(jīng)生理學(xué)家查爾斯·謝靈頓（Charles S. Sherrington）正在用貓來(lái)探索神經(jīng)反射和本體感知，這些研究讓他在1932年摘獲了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

在牛津大學(xué)任教期間，謝靈頓的身邊總有貓。他教授一門哺乳動(dòng)物相關(guān)的課程，課堂里一般有五六只貓作為教學(xué)工具，而他的實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)殡S處可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)貓，而被學(xué)生們稱作“貓的課堂”（cat class）。

1898年，謝靈頓發(fā)現(xiàn)如果在貓的中腦上、下丘之間橫切腦干，貓會(huì)出現(xiàn)僵硬的狀態(tài)，比如頭尾昂起、脊柱挺硬、四肢伸直。這種現(xiàn)象叫做去大腦僵直（decerebrate rigidity），是因?yàn)樯旒。ㄓ址Q為抗重力肌，當(dāng)它收縮時(shí)可以使四肢或身體其他部分伸直的肌肉）過(guò)度緊張導(dǎo)致的。在此基礎(chǔ)上，謝靈頓發(fā)現(xiàn)了牽張反射（stretch reflex），也就是肌肉過(guò)度緊張的時(shí)候出現(xiàn)的反射。

a. 去大腦僵直狀態(tài)下的貓；b. 在去大腦僵直狀態(tài)下刺激貓的左前腳；c. 在去大腦僵直狀態(tài)下刺激貓的左后腳。丨參考文獻(xiàn)[3]

貓如何站立和“走貓步”也引起了謝靈頓的興趣。1910年，謝靈頓描述了這樣一種現(xiàn)象：即便將大腦切除，貓依舊可以站立，并且可以做出規(guī)律的交替步行動(dòng)作。因此他認(rèn)為，動(dòng)物的站立及規(guī)律行走是由于下肢著地所產(chǎn)生的感覺(jué)刺激引發(fā)的，感覺(jué)刺激所觸發(fā)的“站立反射”或“跨步反射”并不需要大腦的參與，而是直接通過(guò)脊髓，這讓人們對(duì)運(yùn)動(dòng)的了解更進(jìn)一步。

摘除大腦站立的貓丨參考文獻(xiàn)[4]

1917年，謝靈頓又把目光放在了貓的耳廓和其能做出的反射上，他細(xì)致地定義并研究了貓耳的各種反射，包括縮回反射、折疊反射、覆蓋反射、瘙癢反射以及搖頭反射，并證明這些反射不需要大腦的參與。在論文中，他寫道：

“貓的耳廓敏感且靈活，能產(chǎn)生許多反射。其中一個(gè)我曾在之前的研究中簡(jiǎn)單提過(guò)，我知道其他人沒(méi)有關(guān)注過(guò)它們，盡管毫無(wú)疑問(wèn)，它們肯定被其他觀察者遇到過(guò)。”

謝靈頓論文中手繪的貓耳丨參考文獻(xiàn)[5]

同時(shí)他還發(fā)現(xiàn)，同樣不需要大腦參與，貓?jiān)诿鎸?duì)狗吠、貓叫和鳥(niǎo)鳴時(shí)就可以做出尾尖左右擺動(dòng)或毛發(fā)豎立這些反射。這些對(duì)貓耳和擺尾等多種反射形式的研究讓人們認(rèn)識(shí)到，神經(jīng)反射的類型遠(yuǎn)比想象中要豐富。

1981年：真·戴眼罩的貓

如果要給1981年的諾獎(jiǎng)典禮上選定一只吉祥物，貓咪或許是最合適的，因?yàn)槟且荒甑闹Z貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家，而兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都不約而同選擇了用貓來(lái)做實(shí)驗(yàn)。他們分別是發(fā)現(xiàn)大腦半球功能特化的羅杰·斯佩里（Roger W. Sperry）以及弄清楚視覺(jué)系統(tǒng)中信息處理的大衛(wèi)·休伯爾（David H. Hubel）和托斯坦·威澤爾（Torsten N. Wiesel）。

在斯佩里所處的時(shí)代，人們已經(jīng)通過(guò)解剖學(xué)發(fā)現(xiàn)左右腦被一束纖維連接在一起，這束纖維形狀扁平、長(zhǎng)約10cm，被命名為“胼胝體”。但當(dāng)時(shí)的人們只知道“胼胝體”在結(jié)構(gòu)上連接了左右腦，并不知道它在功能上的具體作用。于是斯佩里想試試切斷胼胝體，來(lái)弄清楚它是否能傳遞大腦兩個(gè)半球的信息。

他選擇了視覺(jué)信號(hào)作為大腦需要接受的信息，這樣可以很方便地通過(guò)遮住一側(cè)眼睛來(lái)實(shí)現(xiàn)半側(cè)大腦半球的信號(hào)輸入。

在發(fā)表于1953年的研究中，斯佩里給切開(kāi)胼胝體的貓戴上遮光眼罩，并教它們分辨方形和圓形。他首先讓貓遮住左眼，用右眼學(xué)習(xí)分辨不同的形狀，然后換過(guò)來(lái)，遮住右眼，讓貓用左眼學(xué)習(xí)分辨完全同樣的形狀。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大腦之間的信息傳遞正常的情況下，第二次的學(xué)習(xí)相對(duì)于第一次學(xué)習(xí)內(nèi)容的強(qiáng)化，因此習(xí)得速率則會(huì)相對(duì)第一次學(xué)習(xí)突飛猛進(jìn)。但對(duì)于切斷了胼胝體的小貓，用右眼學(xué)到的知識(shí)在第二次左眼的學(xué)習(xí)依然完全陌生，這說(shuō)明切斷了胼胝體后，兩側(cè)腦半球無(wú)法進(jìn)行信息傳遞。

被蒙住單眼的貓需要用另一只眼睛分辨的幾組不同的形狀丨參考文獻(xiàn)[6]

確認(rèn)胼胝體是大腦兩個(gè)半球信息交互的橋梁后，斯佩里敏銳地覺(jué)察到，為了治療癲癇而切斷胼胝體的病人們無(wú)疑是進(jìn)行大腦左右功能研究最好的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。由此，斯佩里成為了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中的領(lǐng)軍人物，在腦科學(xué)的發(fā)展中扮演了不可或缺的角色。

休伯爾和威澤爾同樣熱衷研究貓的眼睛，這是因?yàn)樨埖谋俏禽^短，與人類扁平的面部結(jié)構(gòu)更為相似，也在做視覺(jué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)時(shí)更容易設(shè)計(jì)隔斷視域，另外貓的眼眶與頭骨大小相比較大，視覺(jué)系統(tǒng)較為完備，便于研究。

在25年的合作中，休伯爾和威澤爾推動(dòng)了對(duì)視覺(jué)神經(jīng)機(jī)制的探索。他們開(kāi)發(fā)了一套方法，可以測(cè)定視覺(jué)皮層單個(gè)細(xì)胞的活動(dòng)，然后給貓看不同方向與波長(zhǎng)的光帶，同時(shí)用微電極測(cè)出視覺(jué)神經(jīng)元的電位變化，來(lái)鑒定出不同類型的視覺(jué)神經(jīng)元。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，貓的視覺(jué)初級(jí)皮層中的某些細(xì)胞對(duì)光的朝向非常敏感，而另一些細(xì)胞則對(duì)光的波長(zhǎng)敏感。

實(shí)驗(yàn)中看光帶的貓丨參考文獻(xiàn)[7]

另外，他們還通過(guò)縫合幼貓的眼皮，研究視覺(jué)發(fā)育期單眼視覺(jué)剝奪對(duì)視覺(jué)皮層的影響，發(fā)現(xiàn)視覺(jué)的編碼是在出生后才形成的，而且需要一個(gè)必要的因素，就是“視覺(jué)刺激”。在視覺(jué)發(fā)育的黃金時(shí)間，眼睛只要閉上幾天，視覺(jué)皮層就會(huì)發(fā)生永久性的功能變化。由此，他們提出了視覺(jué)神經(jīng)發(fā)育的“關(guān)鍵期”（critical period）的概念。

在這一基礎(chǔ)上，后來(lái)有了更多的研究證明，不僅是視覺(jué)需要發(fā)育早期外界信息的刺激，聽(tīng)覺(jué)、語(yǔ)言習(xí)得以及運(yùn)動(dòng)機(jī)能等都需要。同時(shí)，神經(jīng)發(fā)育關(guān)鍵期這一概念的提出，還為了解和治療兒童白內(nèi)障和斜視打開(kāi)了新的大門，如果能抓住視覺(jué)發(fā)育的關(guān)鍵期對(duì)兒童進(jìn)行手術(shù)治療和視力糾正，可以使很多孩子避免終身低視力或眼盲。

其實(shí)，在科學(xué)研究中（不僅僅是獲得諾獎(jiǎng)的研究），關(guān)于貓的故事還有很多，一些和人類健康息息相關(guān)的研究，比如胰腺和肝臟的生理學(xué)研究、乙酰膽堿的發(fā)現(xiàn)、抗抑郁藥物的研發(fā)等等……都有著貓的身影。

讓我們說(shuō)：謝謝貓貓。

圖丨Giphy.com

2024年諾貝爾獎(jiǎng)，將從10月7日起陸續(xù)公布。今年，果殼依然會(huì)跟你一起等待諾獎(jiǎng)的結(jié)果，我們將第一時(shí)間發(fā)布最靠譜的諾獎(jiǎng)解讀。

參考文獻(xiàn)

[1] Carrel, A., Transplantation in Mass of the Kidneys. J Exp Med, 1908. 10(1): p. 98-140.

[2]Ebeling, A.H. and A. Carrel, Remote Results of Complete Homotransplantation of the Cornea. J Exp Med, 1921. 34(5): p. 435-40.

[3]Sherrington, C.S., Decerebrate Rigidity, and Reflex Coordination of Movements. J Physiol, 1898. 22(4): p. 319-32.

[4]Sherrington, C.S., Flexion-reflex of the limb, crossed extension-reflex, and reflex stepping and standing. J Physiol, 1910. 40(1-2): p. 28-121.

[5]Sherrington, C.S., Reflexes elicitable in the cat from pinna vibrissae and jaws. J Physiol, 1917. 51(6): p. 404-31.

[6]Myers, R.E., Interocular transfer of pattern discrimination in cats following section of crossed optic fibers. J Comp Physiol Psychol, 1955. 48(6): p. 470-3.

[7]Hubel, D.H., Single unit activity in lateral geniculate body and optic tract of unrestrained cats. J Physiol, 1960. 150: p. 91-104.

作者：一只哈代

編輯：麥芽楊

封面圖來(lái)源：imgflip.com

一個(gè)AI

圖丨Giphy.com

原標(biāo)題：《摘下諾貝爾獎(jiǎng)，喵喵隊(duì)立大功！》

閱讀原文