梅根·霍尔： 胃如何告诉大脑它饱了？我们身体中的细胞如何生长和分裂？
詹姆斯·罗斯曼意识到这些过程背后的基本生物学原理基本上是相同的。2010年，他与理查德·舍勒和托马斯·聚德霍夫分享了卡вли神经科学奖，以表彰他们详细描述神经细胞如何在微观层面相互交流的工作。三年后，他获得了诺贝尔奖。
大众科学定制媒体与卡вли奖合作，与詹姆斯进行了对话，以了解他的发现和这项工作的未来。
霍尔： 詹姆斯·罗斯曼在获得卡вли神经科学奖时感到非常惊喜。
詹姆斯·罗斯曼： 我一直认为自己首先是一名生物化学家，其次是一名细胞生物学家。我从未真正认为自己是一名神经科学家。
霍尔： 他确实申请了神经科学研究生项目……
罗斯曼： 一切都很有道理，除了我没有被录取这个事实。
霍尔： 但詹姆斯不是那种会担心标签的人。事实上，他探索了广泛的科学学科。作为耶鲁大学的本科生，他学习了物理学，部分原因可能是他成长于 50 年代。
罗斯曼： 科学家和医生在 1950 年代确实是最受尊敬的。尤其是物理学家。爱因斯坦、奥本海默，诸如此类的人。
霍尔： 但他的父亲担心他的职业选择，所以他说服詹姆斯尝试一门生物学课程。
罗斯曼： 我就爱上了它。
霍尔： 所以，他放弃了物理学，决定去哈佛医学院学习更多关于生物学的知识。
罗斯曼： 最终我没有完成医学院的学业。
霍尔： 但是，当他在那里时，他偶然发现了自己毕生的事业。
罗斯曼： 我是一名医学院一年级学生，我正在听我们组织学和细胞生物学课程的讲座。
霍尔： 教授正在展示科学家在几十年前拍摄的图像。它们首次展示了细胞有多么复杂。
罗斯曼： 细胞不仅仅像是里面装满了液体的愚蠢的小东西。它是一个高度组织化的地方。它更像一座城市，而不是其他任何东西。
霍尔： 细胞内的这座城市拥有共享信息的部门、建造蛋白质的工厂，甚至还有将这些蛋白质在细胞内部移动并释放到细胞外部的机器。
罗斯曼： 如果蛋白质去错了地方，细胞的组织就会丧失，它就无法再存活。
霍尔： 詹姆斯被迷住了。他想知道，所有这些复杂性是如何运作的？细胞中形成的蛋白质如何到达正确的位置？
罗斯曼： 并且必须有一种不同的机制，我称之为“送货卡车”，将货物，即工作部件，从它们在工厂开始的地方，通过配送系统中的仓库，运送到最终目的地。
霍尔： 当时，细胞生物学家乔治·帕拉德猜测，装满液体的称为“囊泡”的小囊与此有关。
罗斯曼： 囊泡是一个小球，就像一个微小的气球。它不大于五百或一千个氢原子，氢原子是最小的原子。细胞在任何时候都有成千上万个这样的小囊泡。
霍尔： 而且它们无处不在……
罗斯曼： 这些微小的囊泡遍布自然界。它们存在于每个神经末梢，它们存在于你的消化道中，例如，它们在你的胃肠道中储存胰岛素，尤其是在胰腺中。因此，它们遍布全身。
后来获得诺贝尔奖的乔治·帕拉德认为，这些囊泡是移动蛋白质在体内运输的送货卡车。但他无法证明这一点。
他无法弄清楚有多少种不同类型的送货卡车或囊泡。他也无法真正追踪它们在细胞中从起点到终点的过程。
霍尔： 最重要的是，他无法解释使囊泡能够拾取蛋白质并将它们运送到正确目的地的机制。
霍尔： 那么，你的工作是弄清楚所有这些细节吗？
罗斯曼： 是的，我把这当作我的工作。
霍尔： 但是如何做到的？詹姆斯首先借鉴了生物化学的一个基本前提——细胞内发生的一切基本上都只是一个化学反应。如果你能分离出那个化学反应，你就能理解它是如何运作的。
罗斯曼： 而做到这一点的手段首先始终是在活细胞外部重现这个过程，无论它多么复杂。
霍尔： 所以，他认为研究运输囊泡如何工作的最佳方法是打破细胞，并在试管中重建囊泡。
罗斯曼： 而三维组织是如此令人叹为观止。细胞的每个部分都位于每个细胞的相同位置。我来了，说，好吧，我要破坏那个组织。
霍尔： 生物化学家已经使用这种方法来理解各种各样的事情，从蛋白质是如何制造的，到能量是如何储存在细胞中的。
罗斯曼： 而唯一尚未实现的是，我们能否在细胞外部重现决定细胞自身三维组织的那些过程？
这就是我作为一名 25 岁的年轻科学家所做的假设，你知道吗，我可能错了。
霍尔： 事实证明，他是对的。在斯坦福大学做博士后期间，经过多年的试验和错误，他成功地重现了囊泡将蛋白质运输到细胞中特定位置的整个过程。
罗斯曼： 我们可以取出那些囊泡，并将它们放回细胞提取物中。它们会将货物运送到完全正确的位置，就好像它们在活细胞中一样。
霍尔： 在重现这些囊泡，然后研究它们如何运输蛋白质之后，詹姆斯很快发现这个过程类似于包裹的运送方式。
罗斯曼： 每个包裹都有一个条形码，就像一个追踪号码。卡车必须去，并且必须卸下带有正确追踪号码的货物。
霍尔： 但是囊泡不是追踪号码，而是盖有所谓的 v-SNARE 蛋白。这些囊泡通过漂浮并寻找它们的匹配物（称为 t-SNARE）来到达目的地。当两个 SNARE 蛋白相遇时，它们会锁定到位或融合。
罗斯曼： 这些 SNARE 蛋白存在于植物、酵母和人类中。存在细微差别，使得 SNARE 蛋白能够在不同物种以及生物体中的不同地点和时间发挥作用。但基本的物理原理是通用的。
霍尔： 这个原理是如此通用，以至于詹姆斯在试图理解这些 SNARE 蛋白如何工作时，意外地解决了一个来自神经科学的问题。
罗斯曼： 我的博士后知道如何测量这些 SNARE 蛋白，但不知道它们是由什么构成的。所以，我们不知道在哪里能找到最多的它们。
霍尔： 因此，他们开始检查不同的组织样本，寻找找到高浓度 SNARE 蛋白的最佳场所。
罗斯曼： 结果证明是大脑。
霍尔： 他们使用牛脑的样本来分离和纯化这些 SNARE 蛋白。
罗斯曼： 当我们鉴定出它时，结果证明它们已经是已知的蛋白质。
霍尔： 神经科学家已经一直在研究相同类型的样本，以了解大脑中的神经元如何在它们之间的小间隙（称为突触）之间连接和交流。
罗斯曼： 我们并非有意这样做，我们想解决一个更普遍的问题。
霍尔： 但事实证明，他们关于囊泡以及它们如何运输蛋白质的普遍问题，也回答了一个更具体的问题——囊泡如何做同样的事情来在脑突触之间共享信息。这一切都归结为这些 SNARE 蛋白。
罗斯曼： 一旦我们看到它们与突触中的一组相同，我们就可以精确定位它们并说，好吧，这就是突触囊泡的工作方式。它是通用原理的一部分。
霍尔： 詹姆斯无意中解决了一个关于大脑如何运作的重要问题。如此重要，以至于他获得了卡вли奖。
对于一个无法进入哈佛大学神经科学系的人来说，这还不错。詹姆斯说，这一切都是命中注定。
罗斯曼： 正是因为我幸运地被神经科学系拒绝，我才能够，基本上是意外地，在试图解决细胞生物学中一个更广泛问题的过程中，顺便解决一个神经科学问题，这难道不是一件有趣的事情吗？
霍尔： 詹姆斯说，他的研究时代是关于理解细胞的机制，但科学家们开始更多地了解混合物中也存在的神秘物质。
罗斯曼： 在这些生物材料中，这些机器以某种方式聚集在一起，形成一种表现得像连续固体或液体或像橡胶弹性的材料。这实际上非常奇怪。
霍尔： 他说，理解这些奇怪的物质可能会改变我们对医学的方法，并加深我们对身体功能的理解。
罗斯曼： 我们将看到细胞某些部分的状态变化，而我们今天还不了解这些变化，我们将学习如何操纵它们，它们将在疾病中被改变。
霍尔： 他对试图解开这些谜团的年轻科学家有什么建议？
罗斯曼： 哦，这很容易。永远不要听取老科学家的建议。
霍尔： 他说，今天的研究人员面临着与他不同的挑战，包括较少的自由和资金来承担重大风险，并在一个问题上长期工作。
但如果他可以给出一些一般性建议，他会说，美国应该增加对基础研究的资助，这样像他这样专注的科学家更有可能有意或无意地偶然发现重要的发现。
霍尔： 詹姆斯·罗斯曼教授是耶鲁医学院细胞生物学系主任，一位生物化学家和细胞生物学家。
2010年，他与理查德·H·舍勒和托马斯·C·聚德霍夫分享了卡вли神经科学奖。
卡вли奖旨在表彰科学家在天体物理学、纳米科学和神经科学领域的突破——转变我们对宏观、微观和复杂事物的理解。
卡вли奖是挪威科学与文学院、挪威教育与研究部以及美国卡вли基金会之间的合作伙伴关系。
这项工作由大众科学定制媒体制作，并在卡вли奖的支持下完成。