有三件事共同促成了我运用分子生物学研究基因的计划，使其从夜科学转为日科学。第一件是1974年我离开纽约大学，到哥伦比亚大学医学院接替即将退休的恩师哈里·格伦德费斯特的教职。哥大对我的吸引力源自它是一所有着医学科研优良传统且在神经病学和精神病学方面实力雄厚的名校。它的前身国王学院成立于1754年，是美国第五古老的大学，也是第一所授予医学学位的大学。决定性的因素则是因为迪尼丝已经在医学院任教，为了交通方便我们在里弗代尔买了房子。于是，从纽大转到哥大将显著缩短我的通勤时间，还让我俩能在同一个学院里开展各自的研究工作。
图18-1 理查德·阿克塞尔（生于1946年）和我在进入哥伦比亚大学的头几年里成了朋友。在我们的科学互动中，我学到了分子生物学而理查德开始研究神经系统。2004年，理查德和之前做过他博士后的合作者琳达·巴克（生于1947年）因在嗅觉方面的经典研究获得了诺贝尔生理学或医学奖。（来自埃里克·坎德尔的个人收藏）
第二件事发生在我来到哥大之后：我开始与理查德·阿克塞尔（图18-1）合作。正如在我生物学生涯的第一阶段，格伦德费斯特成为我的导师，鼓励我在细胞水平研究大脑功能，以及吉米·施瓦茨在第二阶段引领我探索短时记忆的生物化学那样，理查德·阿克塞尔成了引领我进入第三阶段的合作者，这一阶段的核心是研究在长时记忆的形成中，神经元基因与其突触之间的对话。
理查德和我是在1977年的一次终身教职评定委员会会议上认识的。会议结束时，他走过来对我说：“我已经厌倦了基因克隆，想在神经系统方面做点什么。我们应该交流一下，或许可以研究研究行走的分子生物学基础。”这个提议听上去比当年我向哈里·格伦德费斯特提出研究自我、超我与本我的生物学基础的想法还要幼稚和不着调。不过，我觉得有责任告诉理查德，当时的分子生物学可能没法研究行走。或许海兔的简单行为，比如鳃收缩、喷墨或产卵，会是一个更靠谱的选项。
随着我对理查德的了解日益加深，我发现他是个极其风趣、聪慧和慷慨的人。罗伯特·韦恩伯格在其关于癌症起源的书里，对理查德的好奇心和睿智作了一个极好的描述：
阿克塞尔个子高瘦还带点驼背，他有一张紧致且棱角分明的脸庞，总是戴着一副镶钢边的闪亮眼镜，这让他愈发显得紧致。阿克塞尔……是造成“阿克塞尔综合征”的元凶，这是我通过仔细观察发现的，后来还偶尔向实验室成员描述过。我最早意识到它的存在是在有阿克塞尔参加的几次科学会议上。
阿克塞尔会坐在讲座听众席的第一排，认真听着台上传来的每一个字。后来他会以缓慢的语速、掂量过的用词、每一个音节都仔细清晰的发音提出一针见血的问题。他的问题总是直击报告的要害，揭开报告人在数据或论证方面的弱点。阿克塞尔提出的这些尖锐的问题，会让那些还没有在自己的科研中做到得心应手的人极其心烦意乱。
其实理查德的眼镜一直镶着金边，除此之外以上描述都切中了要害。理查德不仅为学术毛病的编年史贡献了“阿克塞尔综合征”，他还对 DNA 重组技术做出了重要贡献。他开发了一种能够将任何基因转入组织培养的任何细胞的常规方法。这一称作共转染的方法，在科学研究中和制药业生产中都得到了广泛使用。
理查德也是一位歌剧癖，我们成为朋友后不久，曾一起去看过几次歌剧，每次都没买票。我们第一次去时，上演的是瓦格纳的《女武神》。理查德执意要从连着车库的底层入口进入歌剧院，在这个入口检票的引座员立刻认出了他，便让我们进去了。我们走进管弦乐团的乐池并站在后面，直到灯光全暗下来。然后另一个引座员也认出了理查德，他走过来给我们指了两个空座。理查德塞给他一些钱，却不肯告诉我具体数额。这场演出棒极了，但我会时不时地冒出阵阵冷汗，担心第二天《纽约时报》上会出现这样的头条：《两名哥大教授溜进大都会歌剧院被抓现行》。
我们开始合作后不久，理查德询问了他实验室的成员：“有人想学习神经生物学吗？”只有理查德·舍勒站了出来，于是他成了我们联合培养的博士后。事实证明舍勒的加入对我们来说是件幸事—他大胆而富有创造力，这从他自告奋勇研究大脑这个举动就能看出来。舍勒还有着遗传工程学方面的背景，他在读研究生时就做出了重要的技术创新，而且他还慷慨地帮助我学习分子生物学。
欧文·库普费尔曼和我探索海兔中不同细胞及细胞簇的行为功能时，已经发现对称的两个神经元簇，每个包含大约两百个可鉴别的细胞，我们将其称作口袋细胞。欧文发现这些口袋细胞释放一种促进产卵的激素，产卵是一种本能且固定的复杂行为模式。海兔的卵聚集在凝胶状的长链中，每条链包含100万或更多个卵。在产卵激素的作用下，海兔从它的生殖系统位于头部附近的一个开口挤出一条链。这期间它的心率增加，呼吸变得更快。然后它用嘴咬住伸出来的这条链，并前后摇动它的头，从生殖管中将这条链拉出，揉成一个球，然后把它放在岩石或水藻上。
舍勒成功分离出控制产卵的基因并发现它编码一种在口袋细胞中表达的肽激素，即短链氨基酸。他合成出这种肽激素，把它注入海兔体内，观察它引发的整个产卵过程。这在当时是一个巨大的成就，因为它表明一种氨基酸短链能够引发一种过程复杂的行为。我与阿克塞尔及舍勒对一种复杂行为—产卵—的分子生物学研究激发了大家对神经生物学的长期兴趣，以及我对进一步探索分子生物学的渴望。
我们在20世纪70年代早期做的有关学习与记忆的研究已经将简单行为的学习与细胞神经生物学连接在了一起。我与阿克塞尔及舍勒始于20世纪70年代后期的研究，让我们确信，分子生物学、脑生物学和心理学能够融合并创造出一门新的行为分子科学。我们在关于产卵的分子生物学的第一篇论文的引言里阐述了这一信念：“我们描述了海兔体内一个有用的实验系统，它可以用于检测编码一种已知其行为功能的肽激素的基因的结构、表达和调节作用。”
这一合作项目将我推向了 DNA 重组技术，它在我接下来对长时记忆的研究中变得至关重要。此外，在合作期间，我与阿克塞尔建立起了良好的工作关系和个人友谊。因此，在我获得诺贝尔奖4年后的2004年10月10日，当听到理查德和他以前的博士后琳达·巴克①因他们在分子神经生物学领域的杰出工作而获得诺贝尔生理学或医学奖时，我非常高兴，而且一点也不惊讶。理查德和琳达一起做出的惊人发现是，小鼠鼻子里大约有1000种不同的气味感受器。这些感受器的数量之多，完全超出人们的意料，它解释了为什么我们能够探测出数以千计的特定气味，并表明大脑对气味的分析很大程度上是由鼻子里的这些感受器实施的。理查德和琳达此后在各自的研究中运用这些感受器证明了嗅觉系统中神经元之间连接的精确性。
第三件也是最后一件促进我研究学习的分子生物学并用它来研究记忆的事情发生在1983年，霍华德·休斯医学研究所的新任所长唐纳德·弗雷德里克森邀请施瓦茨、阿克塞尔和我组建致力于这门新心智科学—分子认知—的核心团队。这个医学研究所在全国各个大学及其他研究机构资助的科学家团队均以其所在地命名。于是我们这个就成了哥伦比亚大学霍华德·休斯医学研究所。
霍华德·休斯是一个性情怪僻、富有创造力的实业家，他还制作电影、设计并驾驶飞机。他继承了他父亲在休斯工具公司的主要份额，并用它打造了一个大型商业王国。他还在工具公司内部建立了一个研发飞行器的分部休斯飞行器公司，后来它成了美国国防部的一家主要供货商。1953年，他把这家飞行器公司整体移交给由他刚成立的霍华德·休斯医学研究所。到1984年，休斯去世8年后，该研究所已经成为美国最大的生物医学研究私人资助机构。到2004年，该研究所的资助额度已经超过110亿美元，用于支持分布在全美各个大学里的350位研究员。这些科学家中有大约100位国家科学院院士，10位获得过诺贝尔奖。
霍华德·休斯医学研究所的口号是“从人，而非项目出发”。它相信只有当杰出研究者能同时拥有资源和智识上的灵活性来做出大胆前沿的工作时，科学才会兴旺。1983年，该研究所开启了三个新项目—神经科学、遗传学和代谢调控。我受邀成为神经科学新项目的资深研究员，这个机会对我的事业产生了重大影响，对阿克塞尔亦然。
这一新成立的研究所给了我们机会招聘到哈佛的汤姆·杰塞尔和盖瑞·斯特鲁尔，并挽留了正打算离开哥大的史蒂文·西格尔鲍姆。他们让哥大休斯团队和神经生物学与行为研究中心如虎添翼。杰塞尔很快在脊椎动物的神经系统发育方面的工作中成了主要科学家。在一系列精彩的研究中，他找出了赋予脊髓中不同神经细胞（正是谢林顿和埃克尔斯研究过的那些细胞）特性的基因。他进一步发现这些基因还控制轴突的生长和突触的形成。西格尔鲍姆将他的非凡洞见带入了对离子通道的研究，研究通道如何控制神经细胞的兴奋性和突触连接的强度，以及上述过程如何受到活动和各种调节性神经递质的调节。斯特鲁尔则开发了一套富有想象力的遗传学方法，用于探索果蝇的体型发育。
既然分子生物学的工具和霍华德·休斯医学研究所的支持都已到位，现在我们就可以处理有关基因与记忆的问题了。自1961年起，我的实验策略一直都是，在可能是最小的神经元群里捕捉记忆的一种简单形式，并使用多个微电极追踪参与其中的细胞的活动。我们能够在无损动物身上持续数小时地记录单个感觉与运动细胞的信号，这对于研究短时记忆来说绰绰有余。但是要研究长时记忆，我们需要持续几天进行记录。这就需要一个新方法，因此我转向了感觉与运动细胞的组织培养。
我们无法直接把感觉与运动细胞从成年动物体内转移到培养基中让它们生长，因为成体细胞在培养基中不易存活。相反，细胞必须取自非常幼小的动物的神经系统，并提供给它们一个能够成长为成体细胞的环境。达成这一目标的关键进展是由医学和哲学双学位博士生阿诺德·克雷格斯坦做出的。我们实验室搬到哥大前夕，克雷格斯坦成功地在实验室中将海兔从胚胎期饲养到了成体期，这是生物学家花了差不多一个世纪才做到的壮举。
随着海兔的成长，它从一个透明、自由游动、以单细胞藻类为食的幼体变成了一个缓慢蠕动、以海藻为食的亚成体蛞蝓，即小号成体海兔。为了完成这一体态上的重大转变，幼体必须栖息在一种特定的海藻上，以接触到其特有的化学物质。没有人曾在自然界中观察到过这一变态过程，因此没有人知道这一过程需要什么。克雷格斯坦在野外观察过未成熟海兔，他注意到它们频繁地在一种特定的海藻上栖息。当他把海兔幼体放在这种海藻上时，他发现幼体转变成为亚成体蛞蝓（图18-2）。克雷格斯坦在1973年12月的研讨会上描述了海兔幼体如何寻找一种名为Laurencia pacifica的红色海藻，并在它上面栖息，从它体内提取引发变态所需的化学物质。参加过这一非凡研讨会的大部分人都不会轻易忘记他的描述。当克雷格斯坦展示这种小型亚成体蜗牛的第一张图片时，我不禁自言自语道：“婴儿总是如此美丽！”
图18-2 海兔的生命周期。海兔幼体在一种特定的红色海藻（Laurencia pacifica）上休息并从它体内提取引发变态成为亚成体所需的化学物质。（插图翻印自坎德尔的《行为的细胞基础》，W.H.弗里曼出版公司1976年版）
继克雷格斯坦的发现之后，我们开始种植这种海藻，很快就培育出了培养神经系统细胞所需的全部亚成体海兔。接下来的主要任务—在培养基中培养单个神经细胞并让它们形成突触—是由我过去的一个学生、细胞生物学家塞缪尔·沙克承担的。在两位博士后研究员的帮助下，沙克很快成功培养出了参与缩鳃反射的单个感觉神经元、运动神经元和中间神经元（图18-3）。
图18-3 使用实验室培养的单个神经细胞来研究长时记忆。在培养基中生长的单个感觉神经元、运动神经元和释放血清素的调节性中间神经元形成突触，复制了介导和调节缩鳃反射环路的最简单形式。这一首次在组织培养中实现的简单的学习环路，使得研究长时记忆的分子生物学成为可能。（承蒙山姆·沙克②惠允）
现在我们可以通过组织培养一个学习环路的全部组成元素。这一环路使得我们可以通过关注单个的感觉神经元和单个的运动神经元来研究记忆存储的一部分。我们的实验显示，这些在培养基中被隔离的感觉与运动神经元也形成了突触连接，其连接方式和生理功能都与无损动物体内的突触连接毫无二致。在自然状态下，电击尾部会激发调节性中间神经元释放血清素，进而增强了感觉神经元与运动神经元之间的连接。由于我们已经知道这些调节性中间神经元释放血清素，在做了几次实验之后我们发现甚至不需要培养它们。我们只需要在感觉神经元和运动神经元之间的突触附近—无损动物体内的调节性中间神经元接受来自感觉神经元的信号并释放血清素的位点—注入血清素即可。在一个生物学系统中工作很长一段时间后，最让人感到高兴的事情之一，就是看到今日之科学发现成了明日之实验工具。我们对这一神经环路的长期研究，以及成功地分离出在细胞间和细胞内传递的关键化学信号，使得我们可以用这些信号来操纵这一系统并进行更深入的探索。
我们发现血清素的一个短暂脉冲通过促进感觉细胞谷氨酸的释放，增强了感觉与运动神经元之间的突触连接，这一过程持续几分钟。和在无损动物中一样，这一突触强度的短时增加是一个功能性变化：它不需要合成新蛋白质。相比之下，旨在模仿5次尾部电击的血清素的5次独立脉冲，其增强的突触连接持续数天并导致了新突触连接的生长，这是一个涉及新蛋白质合成的解剖学变化（图18-4）。这表明我们能够在组织培养中人为开启感觉神经元的新突触生长，但我们仍然需要找出究竟哪些蛋白质才是形成长时记忆的关键。
图18-4 单个感觉与运动神经元中短时与长时记忆过程的变化。
现在，我的神经生物学研究生涯与现代生物学最伟大的智识探险之旅相交了：阐明调控基因的分子机制，它编码的遗传信息处于地球上一切生命形式的核心。
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这一探险之旅始于1961年，巴黎巴斯德研究院的弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫诺发表了一篇题为《蛋白质合成的基因调控机制》的重要论文③。他们使用细菌作为模式系统，发现基因能够受到调控—即它们像一个水龙头那样能够被打开和关上。
雅各布和莫诺推断出了一个现在已经成为事实的观点：即便是在像人类这样的复杂生物体中，其基因组的几乎每一个基因都存在于身体的每一个细胞中。每一个细胞的细胞核中都拥有该生物体的全部染色体，因而也就拥有形成整个生物体所必需的全部基因。这一推断引出了一个生物学的重要问题：为什么全部基因没有在身体的每个细胞中都以同样的方式运作？对此，雅各布和莫诺提出了一个后来得到证实的观点：之所以肝细胞是肝细胞而脑细胞是脑细胞，是因为在每一类细胞中，都只有部分基因被打开了，或者说得到了表达；而所有其他基因都是关闭的，或者说受到了抑制。因此，每一类细胞包含一个独特的蛋白质组合，它是该细胞可用的全部蛋白质的一个子群。这一蛋白质组合使得该细胞行使它的特定生物学功能。
基因根据需要打开和关闭，以实现细胞最佳的功能运作。有些基因在该有机体一生的大部分时间都受到抑制；另外一些基因，比如参与产生能量的基因，则总是在表达，因为它们编码的蛋白质是生存所必需的。但在每一类细胞中，都会有些基因只在特定时间表达，而另外一些基因则在对来自身体内部或环境的信号做出反应时被打开或者关闭。有一天晚上，我突然灵光一现：学习不就是一组来自环境的感觉信号么！是感觉信号的不同类型或模式导致了不同形式的学习。
哪一类信号调控基因的活动？基因是如何被打开和关闭的？雅各布和莫诺在细菌中发现，一些基因是通过其他基因来开关的。这使得他们对效应基因与调控基因做出了区分。效应基因编码介导特定细胞功能的效应蛋白，比如酶和离子通道。调控基因编码被称作基因调控蛋白的蛋白质，它们控制效应基因的开关。雅各布和莫诺进而问道：调控基因编码的蛋白质如何作用于效应基因呢？他们假定每个效应基因的 DNA 中除了编码特定蛋白质的编码区，还有控制区，这一特异性位点现在称作启动子。调控蛋白与效应位点的启动子结合，决定效应基因接下来是被打开还是关闭。
在一个效应基因能够被打开之前，调控蛋白必须结合到它的启动子上，使 DNA 的两条链分开。接下来，暴露在外的一条链被信使 RNA 以转录的方式进行复制，信使 RNA 携带着有关蛋白质合成的基因指令从细胞核转移到细胞质中，在这里核糖体将信使 RNA 的信息翻译成蛋白质。一旦基因得到了表达，DNA 的两条链就会再次合上，这个基因就关闭了，直到下一次调控蛋白开启转录过程。
雅各布和莫诺不仅提出了基因调控的理论，他们还发现了首个基因转录的调控子。这些调控子有两种形式—阻遏子和后来发现的激活子，前者编码的调控蛋白用于关闭基因，而后者编码的调控蛋白用于打开基因④。通过绝妙的推理和富有洞见的遗传学实验，雅各布和莫诺发现，当大肠杆菌的食物（乳糖）供给充足时，这种细菌会打开一个基因，生成酶来分解消耗乳糖。当没有乳糖存在时，生成这种消化酶的基因会被关闭。这是怎么发生的？
这两位科学家发现，在缺乏乳糖时，阻遏蛋白会结合到生成这种消化酶的基因的启动子上，阻止该基因的 DNA 被转录。当他们重新向细菌生长的培养基中输入乳糖后，乳糖进入细胞并绑到阻遏蛋白上，使它们从启动子上脱落。然后启动子自由地与激活蛋白结合。激活蛋白打开效应基因，生成代谢乳糖的酶。
这些研究表明，大肠杆菌通过调整特定基因的转录速率来对环境线索做出反应。后续研究揭示出，当细菌发现自身处于低浓度葡萄糖中时，它通过合成环腺苷酸来做出反应，环腺苷酸会启动一个进程，促使细菌去消化一种替代性的糖类。
基因功能能够受到细胞外（比如不同糖类）和细胞内（第二信使信号比如环腺苷酸）的信号传导分子调控以响应环境需要，这一发现对我而言是革命性的。它使得我用分子术语重新表述了短时记忆如何转化为长时记忆的问题。现在我要问：对特定形式的学习，也就是说，对来自环境的线索做出反应的调控基因的本质是什么？这些调控基因如何把对特定短时记忆至关重要的短时突触变化转为对特定长时记忆至关重要的长时突触变化？
我们对无脊椎动物的研究，以及一些对脊椎动物的研究，已经证明了长时记忆需要合成新蛋白质，这表明记忆存储的机制很可能在所有动物中都非常相似。此外，克雷格·贝利已经做出了一个非凡的发现，即海兔长时记忆的持续是由于感觉神经元长出新的轴突终端，增强了它们与运动神经元的突触连接。然而，到底是什么引起了向长时记忆的转换，这一点仍然是个谜。是不是引起长时敏感化的学习模式激活了某种调控基因，并通过这些基因编码的蛋白质促进了效应基因指挥新轴突终端的形成呢？
通过研究培养基中的活体感觉与运动细胞，我们已经对行为系统做出了充分的简化，有条件解决上述问题了。我们已经在仅仅两个细胞之间的突触连接中定位到了长时记忆的一个关键成分。现在我们能够运用 DNA 重组技术来探讨：是不是调控基因开启并保持了这一连接的长时增强？
大约就在这个时候，我的工作开始得到正式的认可。1983年，我与弗农·蒙特卡斯尔分享了美国最重要的科学成就奖—拉斯克基础医学研究奖⑤。我还从纽约的犹太教神学院获得了我的第一个荣誉学位。他们竟然也知道我的工作，这让我感到激动万分。我猜想他们是从我的同事莫蒂默·奥斯托那里听说的，他是当年让我对精神分析和大脑产生兴趣的那几位精神分析师中的一员。
那时我的父亲已经去世，但我的母亲前来参加了学位典礼。神学院校监格尔森·D.科恩介绍我时，特别提到我曾在弗莱布许犹太小学接受了良好的希伯来语教育，这一赞许让我妈妈的犹太心充满了自豪。我想对她而言，她的父亲、我的外公认真教我希伯来语一事所得到的认可，可能要比几个月后的拉斯克奖分量重得多。
①值得一提的是，琳达在加入阿克塞尔实验室后，也曾到坎德尔实验室学习并研究过海兔。
②即对塞缪尔·沙克的昵称
③他们因本章所讲的贡献与阐明病毒感染细菌机制的安德列·利沃夫（André Lwoff）分享了1965年诺贝尔生理学或医学奖。
④通常而言，调控子（regulator）是指一种基因，它编码两种蛋白质—阻遏子（repressor）和激活子（activator）。但原文有时也用调控子指代蛋白质，或用阻遏子及激活子指代基因（比如此处）。为了避免混淆，在下文出现“某某子”指代蛋白质时统一译作“某某蛋白”。
⑤拉斯克奖被誉为美国的诺贝尔奖，但只针对医学领域，包括基础、临床、公共服务和特别成就奖4项。有大约一半的基础医学研究奖得主随后（个别是在之前）获得了诺贝尔奖。