这些精选文章是我们向科学家们致敬，他们今年夏天在德国齐聚一堂，参加第 64 届林道诺贝尔奖获得者大会，届时约 600 名冉冉升起的青年研究人员将与 38 位生理学或医学奖获得者交流研究成果和想法。
生物化学
生理学
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作者：埃德加·道格拉斯·阿德里安 发表时间：1950年9月
诺贝尔奖 1932
生理学的目的是描述身体内发生的事件，并顺便以此帮助医生。但是要描述哪些事件，又该用什么术语来描述呢？关于这一点，在过去半个世纪里，观点发生了变化。今天人们普遍认为，虽然生理学关注的是生命过程，但最终必须将其描述纳入物理学和化学的框架之内。
在 19 世纪，生理学可以不那么雄心勃勃。当时有很多关于各种器官的结构和大规模活动需要了解，而无需尝试测量其中的物理和化学变化，因为无论如何，当时可用的精确测量方法很少。那个早期阶段现在已经结束。身体的总体组织已经清除了其更明显的问题。生理学家从精密科学中借鉴了许多新技术，他们的兴趣正在转向生物物理学和生物化学。
肌肉研究
作者：阿尔伯特·圣捷尔吉 发表时间：1949年6月
诺贝尔奖 1937
肌肉是一台机器，在任何机器中，我们都必须处理两个要素。一个是产生能量的反应，例如蒸汽机中蒸汽的膨胀、内燃机中燃料的燃烧或电动机中电流的流动。这些基本反应只有在特定的结构内发生时才能完成有用的工作，无论是气缸和活塞还是线圈和转子。因此，在肌肉中，我们也必须寻找产生能量的反应和有意义的结构。
产生能量的反应是分子之间发生的化学变化，对其研究属于生物化学领域。结构是解剖学家的领域，他们使用解剖刀、显微镜或电子显微镜工作。这两种研究途径都非常令人兴奋。我们可以预期，基本的能量产生反应在所有生命形式中都是相同的，至少在原则上是如此。因此，肌肉研究可以将我们带到生命的基石。它的结构虽然是专门化的，但也同样可以揭示生物分子结构的基本原理。从这个角度来看，肌肉不再是一个特殊的问题。对其功能的研究与对所有生命的研究融为一体，对于这样的研究，肌肉是一种奇妙而独特的材料。
神经科学
视觉的脑机制
作者：大卫·H·休伯尔 和 托斯滕·N·威塞尔 发表时间：1979年9月
诺贝尔奖 1981
大脑皮层是一层高度折叠的神经组织，厚度约为两毫米，是最外层的皮质，包裹在大脑半球的顶部，并在一定程度上位于大脑半球下方。在本文中，我们希望概述关于皮层的一个亚区——初级视觉皮层——的当前知识状态，初级视觉皮层是与视觉有关的皮层区域中最基本的。
我们可以从追溯灵长类动物从视网膜到皮层的视觉路径开始。来自每只眼睛的输出通过大约一百万根神经纤维束传递到大脑，这些神经纤维束捆绑在视神经中。这些纤维是视网膜神经节细胞的轴突。大部分视神经纤维不间断地传递到大脑深处的两个细胞巢，称为外侧膝状核，在那里它们形成突触。外侧膝状核细胞反过来将其轴突直接发送到初级视觉皮层。
为了检查这条视觉通路的工作原理，自 20 世纪 50 年代后期以来，我们的策略（原则上）很简单。例如，从视神经的纤维开始，我们使用微电极从单根神经纤维记录，并尝试找出如何通过用光刺激视网膜来最有效地影响放电。为此，可以使用各种可以想象的尺寸、形状和颜色的光模式，在黑暗背景上明亮或相反，以及静止或移动。通过这种方式工作，人们发现视网膜神经节细胞和膝状体细胞都对视觉场特定部分中特定大小的近似圆形光点反应最佳。
视觉皮层完成的两个主要转换中的第一个是对传入信息的重新排列，以便其大部分细胞不是对光点做出反应，而是对特定方向的线段做出反应。皮层中存在各种各样的细胞类型，一些细胞的反应特性更简单，一些细胞的反应特性更复杂，人们很快就会对一种层次结构产生印象，即更简单的细胞为更复杂的细胞提供信息。典型的细胞仅在光线落在视觉世界的特定部分时才做出反应。当在某个区域闪烁一条倾斜度恰到好处的线，或者在某些细胞中，当该线扫过该区域时，会获得最佳响应。最有效的方向因细胞而异，并且通常被清晰地定义，以至于顺时针或逆时针方向变化 10 或 20 度会显着降低响应或消除响应。（很难表达这种辨别的精确度。如果 10 到 20 度听起来范围很广，那么应该记住 12 点钟到 1 点钟之间的角度是 30 度。）
曾经有一段时间，就在不久之前，人们看着皮层各个层中的数百万个神经元，想知道是否有人会知道它们的功能。对于视觉皮层，答案现在似乎已经大致清楚：特定的刺激会打开或关闭神经元；神经元群确实执行特定的转换。似乎可以合理地认为，如果可以解开像这样的少数几个区域的秘密，那么其他区域也会及时揭示它们的秘密。
嗅觉的分子逻辑
作者：理查德·阿克塞尔 发表时间：1995年10月
诺贝尔奖 2004
鼻子和嗅觉系统的基本解剖结构已经为人所知一段时间了。例如，在哺乳动物中，气味的初始检测发生在鼻子的后部，即称为嗅上皮的小区域。该区域的扫描电子显微照片显示了两种有趣的细胞类型。在这个区域中，数百万个神经元，即感觉系统的信号细胞，在外部世界和大脑之间提供了直接的物理连接。从每个神经元的一端，称为纤毛的毛发状传感器向外延伸，并与空气直接接触。在细胞的另一端，称为轴突的纤维延伸到大脑中。此外，嗅上皮包含神经元干细胞，这些干细胞在生物体的整个生命周期中产生嗅觉神经元。与大多数神经元不同，嗅觉感觉神经元会不断再生，而大多数神经元会死亡且永不被替换。
当动物吸入有气味的分子时，这些结构会与专门的蛋白质（称为受体蛋白）结合，这些受体蛋白从纤毛延伸出来。气味与这些受体的结合会启动电信号，电信号沿着轴突传播到嗅球，嗅球位于大脑的前部，就在鼻子后面。嗅球是大脑中处理嗅觉信息的第一个中继站；嗅球将鼻子与嗅觉皮层连接起来，然后嗅觉皮层投射到大脑皮层中更高层次的感觉中枢，大脑皮层是控制思想和行为的区域。在这种安排的某个地方，存在着大脑用来识别鼻子中检测到的气味、将其与其他气味区分开来并触发情绪或行为反应的复杂逻辑。
为了探索大脑的组织结构，我和我的同事们从气味首先被物理感知的地方——气味受体蛋白——开始着手。琳达·巴克，当时是我实验室的博士后研究员，和我没有直接检查气味受体，而是着手寻找编码气味受体的基因。基因为蛋白质提供模板，蛋白质是执行细胞功能的分子。
使用基因克隆技术，我们能够分离出编码气味受体的基因。这个受体基因家族表现出几种特性，这些特性使其适合于其在气味识别中的作用。首先，这些基因编码的蛋白质完全属于先前描述的一组受体，这些受体七次穿过神经元的细胞膜；这些受体激活称为 G 蛋白的信号蛋白。魏茨曼科学研究所的 Doron Lancet 和约翰·霍普金斯大学医学院的 Randall R. Reed 的早期研究已经证实，气味受体也使用 G 蛋白来启动导致电脉冲沿嗅觉感觉轴突传输的事件级联反应。其次，编码气味受体蛋白的基因仅在嗅觉神经元中活跃。虽然身体的几乎每个细胞都携带每个基因的副本，但许多基因仅在专门的细胞中表达。
最后，广泛的气味受体基因似乎反映了气味的惊人范围。通过检查包括人类在内的各种哺乳动物的 DNA，我们确定大约有 1,000 个基因编码 1,000 种不同的气味受体。（每种类型的受体都在数千个神经元中表达。）鉴于哺乳动物的 DNA 可能包含大约 100,000 个基因，这一发现表明，我们所有基因的 1% 都用于检测气味，这使其成为迄今为止在哺乳动物中发现的最大的基因家族。用于嗅觉的大量遗传信息或许反映了这种感觉系统对大多数哺乳动物物种的生存和繁殖的重要性。
学习和个性的生物学基础
作者：埃里克·R·坎德尔 和 罗伯特·D·霍金斯 发表时间：1992年9月
诺贝尔奖：2000 年（坎德尔）
现在可以在细胞甚至分子水平上研究对几种不同类型的学习很重要的神经元机制的基本方面。研究人员一致认为，[某些] 形式的学习和记忆需要有意识的记录。这些类型的学习通常被称为陈述性或外显性学习。那些不利用有意识参与的学习形式被称为非陈述性或内隐性学习。
外显性学习速度快，可能在仅一次训练试验后发生。它通常涉及同时刺激的关联，并允许存储有关在特定时间和地点发生的单个事件的信息；因此，它提供了对先前事件的熟悉感。相比之下，内隐性学习速度较慢，并且通过多次试验的重复积累。它通常涉及顺序刺激的关联，并允许存储有关事件之间预测关系的信息。内隐性学习主要通过在某些任务上提高绩效来表达，而受试者无法描述究竟学到了什么，并且它涉及不利用个人一般知识内容的记忆系统。
两种不同形式的学习的存在，导致神经生物学中的还原论者询问，这两种类型的学习过程中的每一种是否都在细胞水平上都有表示。加拿大心理学家唐纳德·O·赫布大胆地提出，联想学习可以通过简单的细胞机制产生。他提出，联想可以通过巧合的神经活动形成：“当细胞 A 的轴突……兴奋细胞 B 并反复或持续地参与其放电时，在一个或两个细胞中发生某种生长过程或代谢变化，从而提高 A 作为放电 B 的细胞之一的功效。”根据赫布的学习规则，突触前和突触后神经元中的巧合活动对于加强它们之间的连接至关重要（所谓的突触前-后联想机制）。
拉迪斯拉夫·陶克和我们中的一位（坎德尔）在 1963 年在巴黎马雷研究所研究海兔 Aplysia 的神经系统时，提出了第二个联想学习规则。他们发现，当第三个神经元作用于突触前神经元时，即使突触后细胞没有活动，两个神经元之间的突触连接也可以得到加强。第三个神经元，称为调节神经元，增强了突触前神经元末梢的递质释放。他们认为，如果突触前细胞中称为动作电位的电脉冲与调节神经元中的动作电位一致（突触前-调节联想机制），则该机制可以具有联想特性。
随后，我们和我们的同事发现了实验证实。我们在海兔 Aplysia 中观察到了突触前-调节联想机制，它有助于经典条件反射，这是一种内隐性学习形式。然后，在 1986 年，在哥德堡大学工作的霍尔格·J·A·维格斯特伦和本特·E·W·古斯塔夫松发现，突触前-后联想机制发生在海马体中，它被用于对空间学习（一种外显性学习形式）很重要的突触变化类型中。
免疫学
免疫系统
作者：尼尔斯·凯·杰恩 发表时间：1973年7月
诺贝尔奖 1984
免疫系统在功能的复杂性上与神经系统相当。这两个系统都是弥散性器官，分布在身体的大部分组织中。在人体中，免疫系统重约两磅。它由大约一万亿个称为淋巴细胞的细胞和大约一亿兆个称为抗体的分子组成，这些抗体由淋巴细胞产生和分泌。免疫系统的特殊能力是模式识别，其任务是巡视身体并守护其身份。
免疫系统的细胞和分子通过血液到达大多数组织，通过穿透毛细血管壁进入组织。在移动后，它们会进入自己特有的返回血管系统，即淋巴系统。淋巴管树收集淋巴细胞和抗体，以及其他细胞和分子以及沐浴身体所有组织的组织间液，并通过连接锁骨后的锁骨下静脉将其内容物倒回血液中。
淋巴细胞在淋巴结中以高浓度存在，淋巴结是沿着淋巴管的驿站，也在它们制造和加工的部位：骨髓、胸腺和脾脏。免疫系统会不断衰退和更新。在您读到这里的片刻，您的身体产生了 1000 万个新的淋巴细胞和一百万亿个新的抗体分子。如果所有这些抗体分子都是相同的，这可能不会令人如此惊讶。但事实并非如此。需要数百万个不同的分子来应对模式识别的任务，就像需要数百万个不同的钥匙来匹配数百万个不同的锁一样。抗体分子识别的特定模式是表位：蛋白质、多糖和核酸等大分子表面的斑块。显示表位的分子称为抗原。几乎不可能说出一种不是抗原的大分子。
免疫系统和神经系统在身体器官中是独一无二的，它们能够充分响应种类繁多的信号。这两个系统都表现出二分性：它们的细胞既可以接收信号，也可以传输信号，而且信号可以是兴奋性的，也可以是抑制性的。
神经细胞，或神经元，在大脑、脊髓和神经节中处于固定位置，它们的长突起，轴突，将它们连接起来形成一个网络。一个神经元的轴突与正确的一组其他神经元形成突触的能力，必定需要类似于表位识别的东西。淋巴细胞的数量是神经细胞的 100 倍，并且与神经细胞不同，它们可以自由移动。然而，它们也会相互作用，无论是通过直接接触还是通过它们释放的抗体分子。这些元素可以识别，也可以被识别，这样做它们也形成了一个网络。与神经系统的情况一样，网络对外来信号的调节代表了其对外部世界的适应。因此，这两个系统都从经验中学习并建立记忆，这种记忆通过强化来维持，但不能传递给下一代。这两个系统在表达上的惊人相似之处，可能源于编码其结构和控制其发育和功能的基因组的相似性。
皮肤移植
作者：彼得·B·梅达沃 发表时间：1957年4月
诺贝尔奖 1960
显然，对移植的反应是一种免疫反应；即与体内由外来蛋白质、外来红细胞或细菌引起的反应属于同一类别的反应。这很容易通过实验证明。一只小鼠接受并排斥了另一只小鼠的移植后，它会以两倍以上的速度破坏来自同一供体的第二次移植，并且以一种表明它已在免疫学上预先武装的方式。即使一只小鼠仅仅接受了来自排斥移植的小鼠的淋巴结细胞注射，也会赋予它这种增强的敏感性。
在大多数免疫反应中，身体采用抗体作为破坏剂——例如，在攻击外来蛋白质、细菌等时。抗体是在对同种异体移植（同一物种的不同动物之间的移植）的反应中形成的，但有理由怀疑这些抗体通常不是对抗此类移植反应的工具。矛盾的是，高浓度的循环抗体似乎会削弱反应：它使移植能够享受一定的额外生命。
对移植的实际攻击剂似乎不是抗体，而是淋巴腺产生的细胞。美国国家癌症研究所的 G. H. Algire、J. M. Weaver 和 R. T. Prehn 设计的一些巧妙的实验确实指向了那个方向。
在一个实验中，他们将同种异体移植包裹在一个多孔胶囊中，然后再将其植入一只小鼠体内，这只小鼠此前曾被来自同一供体的同种异体移植致敏。当胶囊的孔隙足够大，可以让细胞通过时，小鼠破坏了移植。但是，当实验者使用孔隙非常细密的膜，可以将细胞挡在外面，只让液体通过时，移植就存活了下来。
关于对抗移植的作用是由细胞进行的假设，解释了为什么角膜中的移植可以幸免于攻击。角膜没有血管；因此，血液传播的细胞无法到达移植。
另一方面，在大脑中，情况恰恰相反：大脑缺乏淋巴引流系统，因此移植在那里释放的任何抗原可能无法到达可以激起免疫反应的中心。这可能解释了为什么同种异体移植通常可以成功地移植到大脑中。