生命科学纵横小论文
之
我对生命科学前沿话题的认识和感受
班级：********
姓名：******
学号：********
之前老师在课上简单介绍了2014年诺贝尔生理学或医学奖，获奖者分别是美国科学家约翰·奥基弗（John O'Keefe ）、挪威科学家梅-布里特·莫泽（May-Britt Moser）和挪威科学家爱德华·莫泽（Edward I. Moser），他们因为发现构成大脑定位系统的细胞而得奖。
我们如何知道自己的位置？我们如何从一个地方去到另一个地方？为何当我们在下次重复同样的路线时能够迅速查找到这些信息，我们在大脑中是如何对它们进行存储的？众所周知，细胞有很多种类，每一种的细胞形态结构功能也是大相径庭。那么有没有一种细胞可以帮助我们记录这些位置信息的呢？有些人路痴是否与这些细胞有关呢？今年的诺贝尔生理学与医学奖获得者们发现了大脑内的定位系统，一种大脑中内置的“GPS”，它让我们能够在空间中行实现定位，揭示了高等认知能力的细胞层面机制。在1971年，约翰·奥基弗利用小鼠最先进行了研究。他发现，当把一只大鼠放到环境中某个特殊的位置时，其大脑中的特定神经细胞会被激活。当换到其他位置，会导致其大脑中其他的特定神经细胞被激活。约翰·奥基弗提出，这些“位置细胞”构建了一个外部环境的内部地图。这些“位置细胞”位于大脑中海马的位置。2005年，梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽发现，当大鼠通过某些特定位置时，位于海马附近内嗅皮质的另一些的神经细胞被激活。这些脑区构成一个六边形网格，每个网格细胞在特定的空间图式中起作用。这些网格细胞共同构成一个坐标系，便于大鼠在三维空间的活动。
网格细胞与位于嗅皮层用于识别动物头部的方向和房间的边界的细胞，以及位于海马的位置细胞一起，共同形成一个网络系统。这一回路构成了复杂的空间定位系统，这是一个脑内的GPS 系统。人脑中的这一系统似乎有与大鼠脑中的相似的结构。 并且在不久之后，研究者在包括人类在内的基本上所有哺乳动物脑中都发现了类似的空间定位系统，为这套理论的实际运用铺平了道路。一方面，空间位置记忆作为记忆的一种，被广泛运用到学习记忆机制的研究中。被各大实验室广泛采用的空间恐惧记忆，就是基于这套理论所建立的行为范式，为深入理解学习记忆的机制提供了良好的研究工具。另一方面，这套理论也被应用于人类身上。一项调查显示，穿梭于迷宫般的伦敦街道的出租车司机拥有更为发达的海
马，这些结果提示，只要勤加练习，大脑中的GPS 也可能变得更加性能卓越。此外，如阿兹海默病AD 等许多疾病会导致患者出现不认识路的症状，关于定位与导航的研究可以帮助医生和科学家加深对这些疾病的认识，从而更好地诊断、治疗这些病症。 这个新的研究首先让我想到了可以从几百公里之外，甚至在一、二千公里远的地方，仍能准确无误地找到地址的信鸽。根据一项最新的研究表明，鸽子脑部的神经元为地球磁场方向编码，让这种鸟类拥有与生俱来的内置全球定位系统（GPS ）。不过，这是首次有人试图解释鸽子脑部神经元情况，是如何利用这些接收器并带来方向感。研究人员发现了鸽子的脑细胞是怎样记录了从地球磁场中感知到的详细导航信息。科学家采取的做法是，将一些鸽子置于黑暗的环境下，并对它们的脑部进行监测，他们试图找到负责解读这些信号的神经网络。接着科学家调高了磁场的强度，并对其范围、高度和其他变量进行调节。他们用基因标记来确定神经元被激活的时间点，而且把关注的重点放在用来处理此类信息的神经区域。最终，他们在鸽子的脑干部位确定了活动性大大提高的53个神经元。而且，这些脑细胞与相对应的人工磁场范围最为敏感。这项研究揭示了鸽子脑部一种称为神经元的单细胞可以将磁场方位、强度和极性信息编制成密码。研究人员发现，当鸽子内耳中某一区域处于变化的磁场中时，这些脑部的神经元就会作出反应。信鸽依靠脑部神经元为地球磁场编码，通过感知地球磁场的变化，从而在长途距离中辨别方向，就像人使用微型指南针一样。而万物最根本的法则我觉得是吸引力法则，而吸引力所依赖的很大一部分是引力场、磁场，人也在不断的发出一种场，如果两个人的气场相近，两个人就会相处的比较融洽，相反可能无法和平相处。因而试图在人的大脑里寻找定位细胞也是有相当的理论支持和背景的。
在数学里，记录一个位置我们可以用三维的Ｏ-xyz 坐标系来描述一个点的位置，也可以用球坐标，像经纬线那种等等。因而对于这个研究我的初步猜测是大脑里的这些GPS 细胞，是否是借助于视力根据所看到的周围有特点的事物和感知事物的维度来确定自己所处位置的。但是经过我查找资料，我惊奇的发现人类大脑中的“导航系统”使用的却是由正三角形组成的网格。
英国伦敦大学学院的研究人员在《自然》杂志上报告说，他们首次确认人类大脑中存在这种利用正三角形网格来帮助定位的“网格细胞”。过去曾有研究发现实验鼠大脑中存在这种细胞。研究人员因此设计了一套虚拟现实系统，请受试者戴上专用设备，“游览”虚拟的山谷草地等景色，同时利用功能磁共振成像技术测量受试者大脑相应区域的活动情况。结果发现，人类大脑中相应细胞的活动同样呈现出明显的正三角形网格模式，并且受试者的空间记忆能力越强，这种模式就越明显。参与研究的卡斯韦尔·巴里说，这些网格细胞为大脑提供了空间认知地图，它们使用了与通常地图中经线和纬线非常相似的方式，所不同的是采用了三角形网格而不是方形网格。
为什么大脑选择这么与我们认知相反的一种方式呢？老子告诉我们，一生二，二生三，三生万物。经过我的思考，我觉得原因有以下三点：第一，三角形可能在某种程度上保证了信息交流的稳定性。试想如果是两个点，在其中之一不准确的情况下，细胞之间交流可能会中断，但是三角形网络在其一点细胞损伤的情况下依旧可以保持相对较稳定的通讯，并且机体自身会进行对另一细胞点进行及时的修复；第二，在节约人体最多的能量的同时，依旧可以实现基本的功能，四个细胞点固然是更加好，但是万物都有向着熵增的趋势发展，而人体是一个相对稳定的环境，内环境的PH 值、温度、缓冲液中离子数目等都有很严格的要求，所以要阻止熵的增加，必须需要外界能量支撑，这就意味着有额外的做功，能量利用率较低，并且万物都是遵循能量最小原理的，原子在较低能级出现的概率远远大于在其它能级，所以三个足矣；第三，这三个点之间各自有分工互不干扰又相互联系在一起，可以大大提高工作效率，也就是在节约能量。 发现GPS 定位细胞，无疑对老年痴呆患者是一个福音。早在2009年研究者们就开发了一种特殊的方法，即海马体形成的体外制备法；如今研究者们在小鼠机体内也成功实现了上述海马体的制备方法，海马体中和记忆相关的活性流并不是单向的。记忆可以形成我们的核心身份，尽管如此，记忆的产生及提取也是我们无法理解的一种现象，研究者们围绕学习和记忆相关的神经回路已经开展了大量的研究，因为人们会因此而患各种疾病，比如阿尔兹海默氏症等。近些年来，研究者Williams 及其同事才开始着手重点研究大脑神经回路的动态学机制，研
究者表示，记忆编码和提取的过程需要海马体中成千上万个神经元的活化，尽管如此，研究者们对于该过程所涉及的神经回路依然知之甚少。但是揭示海马体中神经元的行为或许可以帮助科学家们能够深入理解和阿尔兹海默氏症等神经变性疾病相关疾病中神经回路的异常表现机制，只有鉴别出海马体中的相关神经元回路或许才可以帮助理解记忆的效应机制，而对这些神经回路复杂动力学的理解也将帮助研究人员揭示阿尔兹海默氏症患者大脑的早期改变，为开发新型的靶向疗法将提供更多的研究思路。
看了这么多，不禁觉得很是震撼。约翰·奥基弗、梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽之所以能够会的如此大的成功原因在于他们涉及的领域之广泛，熟练掌握了数学、计算机科学、统计学等工具学科。不得不说数学已渗透到生命科学的各领域，从各种组学研究、系统生物学、生物信息学，乃至实用性较强的药物代谢动力学与药物效应学的分析、定量研究、计量诊断等等，无一不受到现代数学技术的支持。如现已普及的计算机断层扫描术便是精密的X 光技术和复杂的数学模型与快速的计算技术相结合的产物。又如生物信息学，是生物学、化学、计算机科学、信息学、应用数学交叉融合而衍生出的前沿学科，可理解为将数学、计算机科学和生物学的各种工具应用于基因信息的获取、加工、存储、分类、检索与分析，以阐述和理解组学研究获得的大量数据中所包含的生物学意义。
所以作为一名普通的大学生，我们应该更加留意我们的生活，善于发现问题并尝试积极解决问题。除此以外，扎实的基础课程和一些工具类学科也是我们今后科研的前提，我们只有好好学习好这些知识，才有可能做出自己对社会的一份贡献。
生命科学纵横小论文
之
我对生命科学前沿话题的认识和感受
班级：********
姓名：******
学号：********
之前老师在课上简单介绍了2014年诺贝尔生理学或医学奖，获奖者分别是美国科学家约翰·奥基弗（John O'Keefe ）、挪威科学家梅-布里特·莫泽（May-Britt Moser）和挪威科学家爱德华·莫泽（Edward I. Moser），他们因为发现构成大脑定位系统的细胞而得奖。
我们如何知道自己的位置？我们如何从一个地方去到另一个地方？为何当我们在下次重复同样的路线时能够迅速查找到这些信息，我们在大脑中是如何对它们进行存储的？众所周知，细胞有很多种类，每一种的细胞形态结构功能也是大相径庭。那么有没有一种细胞可以帮助我们记录这些位置信息的呢？有些人路痴是否与这些细胞有关呢？今年的诺贝尔生理学与医学奖获得者们发现了大脑内的定位系统，一种大脑中内置的“GPS”，它让我们能够在空间中行实现定位，揭示了高等认知能力的细胞层面机制。在1971年，约翰·奥基弗利用小鼠最先进行了研究。他发现，当把一只大鼠放到环境中某个特殊的位置时，其大脑中的特定神经细胞会被激活。当换到其他位置，会导致其大脑中其他的特定神经细胞被激活。约翰·奥基弗提出，这些“位置细胞”构建了一个外部环境的内部地图。这些“位置细胞”位于大脑中海马的位置。2005年，梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽发现，当大鼠通过某些特定位置时，位于海马附近内嗅皮质的另一些的神经细胞被激活。这些脑区构成一个六边形网格，每个网格细胞在特定的空间图式中起作用。这些网格细胞共同构成一个坐标系，便于大鼠在三维空间的活动。
网格细胞与位于嗅皮层用于识别动物头部的方向和房间的边界的细胞，以及位于海马的位置细胞一起，共同形成一个网络系统。这一回路构成了复杂的空间定位系统，这是一个脑内的GPS 系统。人脑中的这一系统似乎有与大鼠脑中的相似的结构。 并且在不久之后，研究者在包括人类在内的基本上所有哺乳动物脑中都发现了类似的空间定位系统，为这套理论的实际运用铺平了道路。一方面，空间位置记忆作为记忆的一种，被广泛运用到学习记忆机制的研究中。被各大实验室广泛采用的空间恐惧记忆，就是基于这套理论所建立的行为范式，为深入理解学习记忆的机制提供了良好的研究工具。另一方面，这套理论也被应用于人类身上。一项调查显示，穿梭于迷宫般的伦敦街道的出租车司机拥有更为发达的海
马，这些结果提示，只要勤加练习，大脑中的GPS 也可能变得更加性能卓越。此外，如阿兹海默病AD 等许多疾病会导致患者出现不认识路的症状，关于定位与导航的研究可以帮助医生和科学家加深对这些疾病的认识，从而更好地诊断、治疗这些病症。 这个新的研究首先让我想到了可以从几百公里之外，甚至在一、二千公里远的地方，仍能准确无误地找到地址的信鸽。根据一项最新的研究表明，鸽子脑部的神经元为地球磁场方向编码，让这种鸟类拥有与生俱来的内置全球定位系统（GPS ）。不过，这是首次有人试图解释鸽子脑部神经元情况，是如何利用这些接收器并带来方向感。研究人员发现了鸽子的脑细胞是怎样记录了从地球磁场中感知到的详细导航信息。科学家采取的做法是，将一些鸽子置于黑暗的环境下，并对它们的脑部进行监测，他们试图找到负责解读这些信号的神经网络。接着科学家调高了磁场的强度，并对其范围、高度和其他变量进行调节。他们用基因标记来确定神经元被激活的时间点，而且把关注的重点放在用来处理此类信息的神经区域。最终，他们在鸽子的脑干部位确定了活动性大大提高的53个神经元。而且，这些脑细胞与相对应的人工磁场范围最为敏感。这项研究揭示了鸽子脑部一种称为神经元的单细胞可以将磁场方位、强度和极性信息编制成密码。研究人员发现，当鸽子内耳中某一区域处于变化的磁场中时，这些脑部的神经元就会作出反应。信鸽依靠脑部神经元为地球磁场编码，通过感知地球磁场的变化，从而在长途距离中辨别方向，就像人使用微型指南针一样。而万物最根本的法则我觉得是吸引力法则，而吸引力所依赖的很大一部分是引力场、磁场，人也在不断的发出一种场，如果两个人的气场相近，两个人就会相处的比较融洽，相反可能无法和平相处。因而试图在人的大脑里寻找定位细胞也是有相当的理论支持和背景的。
在数学里，记录一个位置我们可以用三维的Ｏ-xyz 坐标系来描述一个点的位置，也可以用球坐标，像经纬线那种等等。因而对于这个研究我的初步猜测是大脑里的这些GPS 细胞，是否是借助于视力根据所看到的周围有特点的事物和感知事物的维度来确定自己所处位置的。但是经过我查找资料，我惊奇的发现人类大脑中的“导航系统”使用的却是由正三角形组成的网格。
英国伦敦大学学院的研究人员在《自然》杂志上报告说，他们首次确认人类大脑中存在这种利用正三角形网格来帮助定位的“网格细胞”。过去曾有研究发现实验鼠大脑中存在这种细胞。研究人员因此设计了一套虚拟现实系统，请受试者戴上专用设备，“游览”虚拟的山谷草地等景色，同时利用功能磁共振成像技术测量受试者大脑相应区域的活动情况。结果发现，人类大脑中相应细胞的活动同样呈现出明显的正三角形网格模式，并且受试者的空间记忆能力越强，这种模式就越明显。参与研究的卡斯韦尔·巴里说，这些网格细胞为大脑提供了空间认知地图，它们使用了与通常地图中经线和纬线非常相似的方式，所不同的是采用了三角形网格而不是方形网格。
为什么大脑选择这么与我们认知相反的一种方式呢？老子告诉我们，一生二，二生三，三生万物。经过我的思考，我觉得原因有以下三点：第一，三角形可能在某种程度上保证了信息交流的稳定性。试想如果是两个点，在其中之一不准确的情况下，细胞之间交流可能会中断，但是三角形网络在其一点细胞损伤的情况下依旧可以保持相对较稳定的通讯，并且机体自身会进行对另一细胞点进行及时的修复；第二，在节约人体最多的能量的同时，依旧可以实现基本的功能，四个细胞点固然是更加好，但是万物都有向着熵增的趋势发展，而人体是一个相对稳定的环境，内环境的PH 值、温度、缓冲液中离子数目等都有很严格的要求，所以要阻止熵的增加，必须需要外界能量支撑，这就意味着有额外的做功，能量利用率较低，并且万物都是遵循能量最小原理的，原子在较低能级出现的概率远远大于在其它能级，所以三个足矣；第三，这三个点之间各自有分工互不干扰又相互联系在一起，可以大大提高工作效率，也就是在节约能量。 发现GPS 定位细胞，无疑对老年痴呆患者是一个福音。早在2009年研究者们就开发了一种特殊的方法，即海马体形成的体外制备法；如今研究者们在小鼠机体内也成功实现了上述海马体的制备方法，海马体中和记忆相关的活性流并不是单向的。记忆可以形成我们的核心身份，尽管如此，记忆的产生及提取也是我们无法理解的一种现象，研究者们围绕学习和记忆相关的神经回路已经开展了大量的研究，因为人们会因此而患各种疾病，比如阿尔兹海默氏症等。近些年来，研究者Williams 及其同事才开始着手重点研究大脑神经回路的动态学机制，研
究者表示，记忆编码和提取的过程需要海马体中成千上万个神经元的活化，尽管如此，研究者们对于该过程所涉及的神经回路依然知之甚少。但是揭示海马体中神经元的行为或许可以帮助科学家们能够深入理解和阿尔兹海默氏症等神经变性疾病相关疾病中神经回路的异常表现机制，只有鉴别出海马体中的相关神经元回路或许才可以帮助理解记忆的效应机制，而对这些神经回路复杂动力学的理解也将帮助研究人员揭示阿尔兹海默氏症患者大脑的早期改变，为开发新型的靶向疗法将提供更多的研究思路。
看了这么多，不禁觉得很是震撼。约翰·奥基弗、梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽之所以能够会的如此大的成功原因在于他们涉及的领域之广泛，熟练掌握了数学、计算机科学、统计学等工具学科。不得不说数学已渗透到生命科学的各领域，从各种组学研究、系统生物学、生物信息学，乃至实用性较强的药物代谢动力学与药物效应学的分析、定量研究、计量诊断等等，无一不受到现代数学技术的支持。如现已普及的计算机断层扫描术便是精密的X 光技术和复杂的数学模型与快速的计算技术相结合的产物。又如生物信息学，是生物学、化学、计算机科学、信息学、应用数学交叉融合而衍生出的前沿学科，可理解为将数学、计算机科学和生物学的各种工具应用于基因信息的获取、加工、存储、分类、检索与分析，以阐述和理解组学研究获得的大量数据中所包含的生物学意义。
所以作为一名普通的大学生，我们应该更加留意我们的生活，善于发现问题并尝试积极解决问题。除此以外，扎实的基础课程和一些工具类学科也是我们今后科研的前提，我们只有好好学习好这些知识，才有可能做出自己对社会的一份贡献。