①这两个概念在第16章还会讲到，从图16-1可以得到直观认识。.2
加州理工学院的西摩·本泽是运用现代技术研究这个问题的第一人。1967年，他开启了一系列绝妙的实验，用化学物质处理果蝇以造成单个基因随机的突变。接着他检查这些突变对学习与记忆的影响。为了研究果蝇的记忆，本泽的学生奇普·奎因和亚丁·杜戴采用了经典条件作用程式。他们将果蝇置于一间小室内，让它们先后暴露在两种气味中。然后果蝇在第一种气味出现时受到电击，它们学会了避开这种气味。接着，果蝇被置于另一间小室，小室两头分别放有一种气味源。被条件化的果蝇避开了包含第一种气味的一头而飞向包含第二种气味的一头。
奎因和杜戴利用这一训练程式鉴定出一类果蝇，它们缺乏记住伴随电击的第一种气味的能力。到1974年，他们筛选了上千种果蝇，并找到了存在短时记忆缺陷的第一个突变体。本泽把这个突变体称作“傻瓜”。1981年，本泽的学生邓肯·拜尔斯跟进了关于海兔的研究，开始考察“傻瓜”的环腺苷酸通路并发现一个基因上的突变对处理环腺苷酸负责。发生这种突变将造成果蝇体内积累过多的环腺苷酸，它的轴突很可能已经饱和，使得它们对进一步的改变不敏感并阻碍其发挥最佳功能。接下来其他一些有关记忆的基因突变也得到了鉴定。它们同样参与了环腺苷酸通路。
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海兔和果蝇研究得到的互相印证的结果—两种截然不同的实验动物，通过不同的方法测试了不同类型的学习—非常令人安心。合到一起，它们清楚地表明，简单形式的内隐记忆的细胞机制很可能在许多物种（包括人类）的许多不同形式的学习中都是相同的，因为这些机制在进化过程中是保守的。生物化学和之后的分子生物学会是揭示不同有机体的生物构造共同特征的强大工具。
海兔和果蝇研究中的发现还加强了一个重要的生物学原理：进化不需要新的特异性分子来产生一个新的适应性机制。环腺苷酸通路并不是记忆存储独有的。正如萨瑟兰德所展示的那样，它甚至不是神经元独有的：肠道、肾脏和肝脏都使用环腺苷酸通路来产生持久的代谢变化。事实上，在已知的全部第二信使中，环腺苷酸系统可能是最原始的一种。它也是最重要的，在某些情况下，如在单细胞生物中，它甚至是唯一的第二信使系统，比如在大肠杆菌中它发送饥饿信号。因此，构成记忆基础的生化反应并非专门用来支持记忆的。神经元仅仅是招募了一个在其他细胞中用于其他目的的有效信号传导系统，并用它来产生记忆存储所需的突触强度的变化。
正如分子遗传学家弗朗索瓦·雅各布曾指出的，进化并不是一个原创设计师，它不会发明一套全新的方案来解决新问题。进化是一个修补匠。它反复地使用相同的基因，只是每次的用途都略有不同。进化通过改变现有条件并筛选出基因结构中的随机突变来发挥作用，被筛选的这些突变会使一个蛋白质变得稍有不同或者改变该蛋白质在细胞中配置的方式。大多数突变是中性的甚至有害的，经不起时间的考验而消失了。只有少量能增加个体存活率和繁殖能力的突变才有可能被保留下来。雅各布这样写道：
大家经常把自然选择比作工程师。然而这一比较似乎并不合适。首先……工程师是根据事先制订好的计划来工作的。其次，一个工程师在组装一个新结构时并不必然是在旧结构的基础上进行的。电灯不是源自蜡烛，喷射发动机也不是从内燃发动机发展而来。……最后，一个工程师，至少一个优秀的工程师，是从头开始制作一个物件，并在当时技术允许的条件下尽可能地让这个物件达致完美。
与工程师不同，进化并不是从头开始进行创造。它在现有的基础上工作，有时调整一个原有的系统让它具有新功能，有时将几个系统合并起来，形成一个更复杂的体系。不过如果谁一定要打比方的话，也许修补匠是个比工程师更好的选择，我们在法语里把这种修修补补的活动称作bricolage。工程师的工作依赖于他的原材料和适合他的项目的工具，而修补匠打理的是边角料。……他会用上周遭所能找到的任何玩意，旧纸板、几根线、碎木料或金属片，来制造出某种可用之物。修补匠捡起恰好在他仓库里的一个物件，并赋予它意想不到的功用。给他一个老汽车的方向盘，他会做出一台风扇；给他一张破桌子，他能做出一把遮阳伞。
在活着的有机体中，对现有的分子稍加修饰并调整它们与其他分子的交互作用，就可以实现新功能。因为人类的心理过程长期以来都被认为是独一无二的，一些早期的脑研究者期待在我们的灰质中找到许多潜藏的蛋白质新种类。然而令人惊讶的是，科学研究发现几乎没有哪种蛋白质是人脑独有的，即便有，它也不具备独特的信号传导系统。几乎脑中所有的蛋白质，都在身体的其他细胞中存在着执行相似目的的亲戚。这一点即便对执行大脑独有功能的蛋白质，比如作为神经递质受体的那些蛋白质也是成立的。所有的生命，包括构成我们思想和记忆的基质，都是由相同的构件组成。
我在出版于1976年的《行为的细胞基础》一书里首次总结出了关于短时记忆的细胞生物学的贯通性主张。在书中我清楚地说明了我的信念—甚至可以说是发表了我的宣言—要理解行为，就必须把已被证明在生物学其他领域非常有效的激进还原论取向同样运用到行为研究中。大约在同一时间，斯蒂夫·库夫勒和约翰·尼科尔斯出版了《从神经元到脑》，这本书强调了细胞取向的重要性。他们用细胞生物学来解释神经细胞如何工作以及它们如何在脑中形成环路，我则用细胞生物学将脑与行为连接起来。斯蒂夫也察觉了这种连接的存在，并预见到神经生物学领域正要向前迈出一大步。
1980年8月，我和斯蒂夫被奥地利生理学会授予荣誉会员称号，一同受邀去维也纳访问，能和他同行让我感到非常高兴。斯蒂夫是于1938年逃离维也纳的。威廉·奥尔瓦尔德把我们介绍给维也纳大学医学院的全体教师。这位自命不凡的学者在科研上几无建树，对于我们两个维也纳之子被迫逃离这个国家的经历，他也表现得无动于衷。他高兴地提到库夫勒曾就读于这所医学院，而我曾住在位于这所大学拐角处的塞弗林巷，却对我们在这期间的实际经历避而不谈。他的这一态度伤害了斯蒂夫和我，我们没有对他的言论做出回应。
两天后，我们从维也纳乘船沿着多瑙河来到布达佩斯，参加生理学国际会议。这是斯蒂夫参加的最后一次重要会议，他在会上做了非常精彩的报告。不久后的1980年10月，他在一次长时间的游泳之后，突发心脏病，死在了位于马萨诸塞州伍兹霍尔的周末居所内⑧。
听到这个消息后，整个神经科学界都深感悲痛。我们中大多数人都受惠于他并在某些方面依赖于他。斯蒂夫的得意门生杰克·麦克马汉说出了我们许多人的心声：“他怎能就这样丢下我们不管了呢？”
我是那年的神经科学学会主席，与项目委员会一道负责组织11月的年会。斯蒂夫去世仅几个星期后，这次会议在洛杉矶开幕，有大约一万名神经科学家参加。戴维·休伯尔发表了非凡的悼词。他用幻灯片图文并茂地展示了斯蒂夫的预见性、洞察力和慷慨，以及他对我们所有人的意义。我认为从那以后，美国社会再也没有哪个人能像斯蒂夫·库夫勒这样有影响力并深受爱戴了。杰克·麦克马汉主编了一本纪念他的文集，我在其中写道：“写下这些文字时，我仍然深深地感觉到他的存在。继奥尔登·斯宾塞之后，还没有哪位同事的离开能让我感到如此悲伤和怀念。”
斯蒂夫·库夫勒的去世标志着一个时代的结束。在过去的这个时代里，神经科学界规模相对还比较小、科学家们所关注的还只是作为脑组织单元的脑细胞而已。斯蒂夫去世时恰逢分子生物学和神经科学融合的时代，这一融合极大地扩展了这一领域的范围和参与其中的科学家的数量。我本人的工作也反映了这一变化：我在1980年停止了大部分对学习与记忆的细胞和生化研究。那时我已经清楚地认识到，对单个学习试次做出反应的环腺苷酸的增加和血清素引发的递质释放的增加只持续几分钟。持续几天到几星期的长时程易化必须有别的什么东西参与，可能是基因表达的变化以及解剖学变化。因此我转向了基因研究。
我已经为走出这一步做好了准备。长时记忆开始点燃我的想象力。一个人怎么能够把小时候发生的事记一辈子？丹尼丝的母亲萨拉·贝斯特林，用她对装饰艺术—新艺术运动⑨的家具、花瓶和灯饰—的品味感染了丹尼丝和她的弟弟让–克劳德以及他们的配偶和孩子。虽然她极少跟我谈起我的科研，但她一定已经感觉到我准备去研究基因和长时记忆了。
在1979年11月7日我50岁生日那天，她送给我一个泰普利斯特制作的漂亮维也纳花瓶（图16-5），并附上了下面这张便笺：
亲爱的埃里克：
图16-5 泰普利斯特花瓶。（来自埃里克·坎德尔的个人收藏）
泰普利斯特制作的这个花瓶
画的是维也纳森林
那些树
那些花
那光线
那夕阳
散发着乡愁
牵引着你
回忆往昔
回想童年
而当你沿着
里弗代尔森林的树丛慢跑时
源自维也纳森林的乡愁
将会萦绕着你
让你有那么片刻
忘掉日常生活中的作息
爱你的萨拉
萨拉·贝斯特林已经明确了我的任务。
①突触电位通常指的是突触后神经元的膜内外电位差，既可以表述为“突触后（运动）神经元内的”突触电位，比如本行末尾；也可以表述为“两个神经元之间的”突触电位，比如本段首句。它们指的是同一个电位，而不同于此处新发现的“突触前（感觉）神经元内的”突触电位，后文通常称之为“慢突触电位”。
②又称显著性（salience），指某个对象相对于其周围的对象显得更突出的一种性质或状态，生物体需要对此类对象产生警觉。这个概念在第23章还会出现。
③他因对激素，特别是对肾上腺素作用机制的研究，获得了1971年的诺贝尔生理学或医学奖。
④爱德是昵称，大名是爱德温（Edwin），他与同事爱德蒙·菲舍尔（Edmond Fischer）因下文所述贡献而分享了1992年诺贝尔生理学或医学奖。
⑤即对史蒂文的昵称。
⑥血清素的英文名、史蒂夫的姓和名的首字母都是S。
⑦他因阐明了染色体在遗传中的作用而获得1933年诺贝尔生理学或医学奖。
⑧收入较高的美国家庭一般会有多处房产，一处在市区用作日常起居，一处在郊区用作周末休闲（weekend home），还有一处在夏季凉爽或冬季温暖的远方，用作消夏或过冬，第10章作者曾提到自己的夏季居所（summer home）。
⑨19世纪末20世纪初流行于欧美的一种涉及建筑、家具和装饰的艺术运动及思潮。
17 长时记忆
在回顾自己对细菌的遗传学研究时，弗朗索瓦·雅各布曾将科学研究分成两类：日科学与夜科学。日科学是理性、逻辑和务实的，通过精确设计的实验向前推进。“日科学使用的推理就像一串咬合紧密的齿轮，其运转必然会带来确定的结果，”雅各布写道，而夜科学则是“一个充满各种可能性的作坊，即将构成科学大厦的建筑材料在此得到打磨。假说以模糊朦胧的预感形式在此呈现”。
到了20世纪80年代中期，我感到我们对海兔短时记忆的研究正在迈向日科学的门槛。我们已经成功地将海兔的一个简单习得反应追踪到了介导它的神经元和突触水平，并发现学习是通过暂时改变感觉与运动神经元之间现有突触连接的强度来产生短时记忆的。这些短时改变由突触中已有的蛋白质和其他分子介导。我们发现环腺苷酸和蛋白激酶A增强了感觉神经元终端谷氨酸的释放，而且这一增强的释放是短时记忆形成的一个关键因素。简而言之，我们在海兔中建立的这个实验系统已经能够遵循逻辑对其分子成分进行实验操纵。
但记忆存储的分子生物学的中心谜团依然还未解开：短时记忆是如何转化成持久的长时记忆的？对我来说，这一谜团属于夜科学：对此我有着各种漫无边际的遐思和零碎的想法，以及累月的考量，我们应该怎样设计日科学的实验来解决这一问题呢？
吉米·施瓦茨和我已经发现长时记忆的形成依赖新蛋白质的合成。我有一个预感，涉及突触强度持久改变的长时记忆，能够在感觉神经元的遗传装置的变化中找到痕迹。要着手处理这个模糊的想法，意味着我们对记忆形成的分析得深入神经元的分子迷宫内部，进入包含基因并控制基因活动的细胞核。
我曾多少次陷入深夜的遐思之中，梦想着运用新开发的分子生物学技术再向前迈出一步，去聆听感觉神经元的基因与其突触之间的对话。这一步来得恰逢其时。到1980年，分子生物学已经成为生物学的主心骨，一统各分支学科。它很快会把影响拓展到神经科学领域，帮着开创一门新心智科学。
分子生物学，特别是分子遗传学，怎么会变得如此重要呢？分子生物学的诞生及其最初的影响可以上溯到19世纪50年代，当时格雷戈尔·孟德尔最先认识到遗传信息是通过分离的生物单元（现在我们称作基因）从亲代传给子代的。大约在1915年，托马斯·亨特·摩尔根在研究果蝇时发现，每个基因在染色体上占据一个特定的位点。在果蝇及其他高等生物中，染色体是成对的：一条来自母方，另一条来自父方。因此子代从其两个亲本中分别接收每个基因的一份拷贝。1942年，生于奥地利的理论物理学家埃尔温·薛定谔在都柏林做了一系列讲座，这些讲座的内容后来被集结成一本题为《生命是什么》的小册子出版。在这本书中，他指出把一种动物与另一种动物，以及把人类与其他动物区分开来的，是各自基因中存在的差异。薛定谔写道，基因赋予生物与众不同的特征，它们以稳定的形式编码生物信息，使得这些信息能够被可靠地复制并代代相传。因此，当一对染色体分离时，比如在细胞分裂时发生的情况，每条染色体上的基因都必须被精确地复制到新染色体上。生命的关键进程—从上一代向下一代存储和传递生物信息—是通过染色体的复制和基因的表达来完成的。
薛定谔的观点引起了物理学家的关注，并使得一些人转向了生物学研究。此外，他的观点还促成了生物化学的转型：作为生物学的核心领域之一，生物化学从一门关注酶和能量转换（即能量在细胞内如何产生和利用）的学科转变为一门关注信息转换（即信息在细胞内如何被复制、传递及修饰）的学科。从这个新视角出发，染色体和基因的重要性在于它们携带了生物信息。到1949年，学界已经很清楚，一些神经疾病，比如亨廷顿氏病和帕金森氏病，以及包括精神分裂症和抑郁症在内的一些精神疾病，都是有着遗传成分的。由此，基因的本质成了包括脑生物学在内的一切生物学的核心问题。
基因的本质是什么？它由什么组成？1944年，洛克菲勒研究所的奥斯瓦尔德·艾弗里、麦克林·麦卡蒂和科林·麦克劳德取得了突破性进展，他们发现基因并非如很多生理学家认为的那样由蛋白质组成，而是由脱氧核糖核酸（DNA）组成。
9年后的1953年4月25日，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在发表于《自然》期刊上的一篇论文中描述了DNA结构模型，这一发现是划时代的。在结构生物学家罗莎琳·富兰克林和莫里斯·威尔金斯拍摄的X光照片的帮助下，沃森和克里克得以推断出DNA是由两条呈螺旋状相互缠绕的长链组成。因为已知这一双螺旋结构中的每条链都是由称作核苷酸碱基的4种很小的重复单元—腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶—组成，沃森和克里克假定这4种核苷酸是基因的信息携带单元。他们后来又做出了一个惊人的发现，即DNA的两条链是互补的，其中一条链上的核苷酸碱基会与另一条链上的特异性核苷酸碱基配对：一条链上的腺嘌呤（A）只与另一条链上的胸腺嘧啶（T）配对并结合，而一条链上的鸟嘌呤（G）只与另一条链上的胞嘧啶（C）配对并结合。核苷酸碱基在许多位点上形成的众多配对，将两条链结合在一起。
沃森和克里克的发现将薛定谔的思想纳入了分子水平的框架内，分子生物学由此诞生。正如薛定谔指出的，基因的基本运作就是复制。沃森和克里克的经典论文以如今已成为名言的一句话收尾：“我们显然注意到了，我们刚刚推断出的特异性配对方式提示了遗传物质的一种可能复制机制。”①
双螺旋模型向我们展示了基因的复制方式。复制期间，双链DNA要先解开成为两条链，然后以已有的两条母链为模板，各自形成与之互补的子链。由于母链上包含信息的核苷酸顺序是给定的，因此子链上的核苷酸顺序也是给定的：A与T结合、G与C结合。接下来这条子链又可以充当模板，形成另一条互补链。细胞分裂时，DNA就以这样的方式进行复制，形成很多个忠实于母本的拷贝，这些拷贝将分布于子代细胞中。这种模式存在于一个有机体的所有细胞中，包括精子和卵子，以确保这个有机体作为一个整体代代相传。
根据基因复制中提供的线索，沃森和克里克进一步推测出了蛋白质的合成机制。由于每个基因指导着一个特定蛋白质的制造，他们推断每个基因的核苷酸碱基序列都携带着制造蛋白质的密码。与基因复制类似，蛋白质的遗传密码也是通过生成DNA一条链上的核苷酸碱基的互补性拷贝来“解码”的。不过后来的研究表明，在蛋白质合成中，密码是由一种称作信使RNA（核糖核酸）的中介分子携带的。和DNA一样，信使RNA是一种由4种核苷酸组成的核酸。其中三种—腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶—与DNA的核苷酸相同，但第四种，取代胸腺嘧啶的尿嘧啶是RNA独有的。当DNA的两条链分离时，其中一条被复制到信使RNA。信使RNA上的核苷酸序列随后被翻译成蛋白质。沃森和克里克由此确立了分子生物学的中心法则：DNA产生RNA，RNA产生蛋白质。
接下来，科学家们希望能够破解遗传密码，也就是说，信使RNA中的核苷酸是怎样被翻译成氨基酸以组成蛋白质的，其中也包括对记忆存储很重要的蛋白质。1956年，克里克和西德尼·布伦纳开始全力投入到这项研究中，试图解答DNA的4种核苷酸如何能够编码组成蛋白质的20种氨基酸。每种核苷酸编码一种氨基酸的一对一系统，只能产生4种氨基酸。4种核苷酸两两配对也只能够编码16种氨基酸。布伦纳认为，要生产20种不同的氨基酸，这个系统必须基于三联体，也即三个核苷酸的组合。不过，核苷酸的三联体能产生的不止是20种，而是64种组合。于是布伦纳认为基于三联体的编码系统是冗余的，存在着不止一个核苷酸三联体编码同一种氨基酸的情况。
1961年，布伦纳和克里克证明了遗传密码由一系列核苷酸三联体组成，其中每一个三联体都包含了形成一种独特氨基酸的指令。但是他们没有找出哪一个三联体密码形成哪一种氨基酸。同年晚些时候，NIH的马歇尔·尼伦伯格和威斯康星大学的哈尔·葛宾·科拉纳②做到了这一点。他们运用生物化学的方法检验了布伦纳和克里克的想法，通过阐明编码每一种氨基酸的特异性核苷酸组合而破解了遗传密码。
20世纪70年代后期，哈佛的沃尔特·吉尔伯特和英国剑桥的弗雷德里克·桑格开发了一项新的生化技术，使得快速测定DNA序列成为可能。他们通过相对简便的方式读取DNA核苷酸序列的片段，以确定某个给定的基因所编码的蛋白质，这是一个令人瞩目的进展。它使得科学家可以观察存在于不同基因中的相同DNA片段，它们编码各种蛋白质中相同或相似的部分。这些可识别的部分称作域，不论在哪种蛋白质中，它们都介导相同的生物功能。因此，仅仅通过查看组成一个基因的一些核苷酸序列，科学家就能够确定由该基因编码的蛋白质（比如激酶、离子通道或受体）所行使功能的重要方面。不仅如此，通过比较不同蛋白质的氨基酸序列，他们还能够在非常不同的环境中识别出蛋白质之间的相似性，比如在身体的不同细胞中，甚至是在差异极大的生物中。
通过这些序列以及对它们的比较，我们绘制了细胞如何运作以及它们相互如何传导信号的蓝图，这为理解许多生命过程建立了概念框架。尤为重要的是，这些研究再一次揭示出不同生物的不同细胞是由相同的材料组成。一切多细胞生物都具有合成环腺苷酸的酶，以及激酶、离子通道，等等。事实上，人类基因组中表达的一半基因，在简单得多的无脊椎动物比如秀丽隐杆线虫、果蝇和海兔中都可以找到。老鼠有超过90%、高等猿类有98%的编码序列与人类基因组相同。
分子生物学继DNA测序之后的又一重大进展是重组DNA和基因克隆的诞生，正是这些技术引领我进入这一领域，它们使得鉴定基因（包括在脑中表达的基因）和确定基因功能成为可能。第一步是从一个人、一只老鼠或者一只蜗牛身上分离出某个想要研究的基因，即编码特定蛋白质的DNA片段。做到这一步，需要定位染色体上的基因然后用分子剪刀—一种在合适位点剪切DNA的酶—把它剪下来。
下一步是制造出这个基因的许多拷贝，这一过程称作克隆。在克隆时，这个基因的末端被剪接到另一种生物（比如某种细菌）的DNA中，创造出重组DNA—重组指的是从一种生物体的DNA剪下的基因与另一种生物体的基因组重新组合。细菌的基因组每20分钟左右扩增一次，这样就能制造出大量初始基因的拷贝。最后一步是解码这个基因所编码的蛋白质，通过解读该基因的核苷酸序列或分子构件来实现。
1972年，斯坦福大学的保罗·伯格成功创造了首个重组DNA分子；1973年，加州大学旧金山分校的赫伯特·博耶和斯坦福大学的斯坦利·科恩合作，在伯格技术的基础上开发出基因克隆。到1980年，博耶已将人类的胰岛素基因接合到了细菌中，这一壮举使得人类胰岛素的产量不再受到限制，进而开创了生物技术产业。DNA结构的共同发现者吉姆·沃森是这样描述这些成就的：
我们想做的正是一个文字处理器现在能够做到的：在我们破解了遗传密码之后……实现DNA的剪切、粘贴和复制。……然而，在60年代后期和70年代做出的若干发现，意想不到地于1973年走到一起，带给了我们称作“重组DNA”的技术—编辑DNA的能力。这可不是实验室技术方面的普通进展。突然间，科学家能够裁剪DNA分子，创造出自然界中前所未见的新东西。我们能通过一切生命具有的分子基础来“扮演上帝”。
不久之后，这些用于在细菌、酵母和非神经细胞中分析基因和蛋白质功能的非凡工具和分子洞见，就急切地被神经科学家们—特别是被我—拿来用于大脑研究。我对这些方法全都一窍不通—对我而言它们是夜科学。但即便是在夜里，我也感觉到了分子生物学的威力。
①根据克里克的说法，由于沃森当时还担心他们的模型有可能是错误的，因此没有对其遗传机制展开讨论。但为了表明科学上的优先权，他们最终加上了这一句含蓄但分量十足的结语。
②他们两人因破解遗传密码与测定转运RNA结构的罗伯特·霍利（Robert Holley）分享了1968年诺贝尔生理学或医学奖。尼伦伯格还是第一位获得诺贝尔奖的NIH科学家。
18 记忆的基因
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丹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。
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。
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）
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，已经发现了两个对称的神经元簇，每个包含大约两百个可鉴定的细胞，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，小鼠鼻子里大约有一千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幅图片时，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—是由我以前的一个学生、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：阐明基因调控的分子机制，它编码的遗传信息位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③发表了一篇题为《蛋白质合成的基因调控机制》的重要论文。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。
