在斯坦福大学校园的某个地方，在庄严的橡树和科学探索的瓦顶殿堂之间，生活着卡拉·沙茨（Carla Shatz）的超级小鼠。它们学习复杂体力任务的速度比普通同类更快。如果一只眼睛失去视力，它们会迅速重塑大脑以进行补偿，然后在视力测试中超越普通单眼小鼠。它们也更能从某些脑部损伤中恢复。让这些啮齿动物与众不同的是它们在体验后形成新神经连接或强化现有连接的卓越能力。
沙茨对她的天才小鼠感到自豪。但当我请求拜访它们时，这位开创性的神经生物学家拒绝了我。“它们在一个无菌设施里，”她歉意地说，同时避开了我在视频中看到一只小冠军在水中迷宫中飞驰的画面。沙茨解释说，只有它们的看护者才能进入饲养这些动物的实验室，甚至看护者也必须在进入前淋浴并穿上无菌服装。
那是因为这些小鼠的免疫系统不完整。它们经过培育，缺乏对抵抗病原体至关重要的蛋白质——一种称为MHCI（代表主要组织相容性复合体I类）的家族成员。赋予它们超强的适应性大脑的相同突变，也使它们的身体异常脆弱。
在体内，MHCI蛋白质是监视者，将受感染的细胞标记出来以便免疫系统攻击。在脑部，这些蛋白质扮演着完全不同的角色，帮助调节神经可塑性——即神经回路在生命各个阶段重塑自身的能力。沙茨花费了十多年的时间研究后者功能。然而，直到她证明其存在之前，很少有科学家认为MHCI或其他所谓的“免疫分子”存在于正常工作的脑部。事实上，它们不存在被认为是神经科学的基本原则。
正如你可能还记得生物课上的内容，大脑享有“免疫特权”的地位。一层厚厚的细胞叫做血脑屏障，保护大脑免受体内循环的病菌以及与之对抗的免疫细胞的侵害。这就是为什么当你与流感搏斗时，病毒或针对它的炎症都不会扩散到你脆弱的脑神经元。
除非屏障因损伤、自身免疫疾病或灾难性感染而破裂，否则T细胞、B细胞或免疫系统的任何其他突击部队很少能穿过。长期以来，人们认为像MHCI这样的免疫系统的分子哨兵——在脑部内部也缺失。
15年前，沙茨偶然发现了编码猫胎脑中MHCI的基因。她很快在健康的小鼠大脑中发现了MHCI蛋白质和受体（与MHCI结合的分子）。最终，它们也出现在健康的猴子和人脑中。随着沙茨致力于研究MHCI及其在这些令人惊讶的地点中的同伴，她引发了一场神经科学革命。
如今，越来越多的研究人员正在研究免疫分子影响大脑和神经系统的复杂方式。这些科学家认为，操纵这些分子可能是治疗许多毁灭性神经系统疾病的关键，从自闭症和精神分裂症到阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化症。沙茨甚至梦想着一种“可塑性药丸”，以恢复中风患者的神经柔韧性——而她最新的实验为这一梦想的实现提供了希望。
“当我们做出这项发现时，人们认为我们疯了，”66岁的沙茨说道，她身材苗条，颧骨高耸，一头乌黑卷发。“但我父母从小就给我一些建议。他们说：‘别担心别人怎么看你。’ ”她若有所思地望着电脑屏幕。“我可能把这句话理解得太宽泛了。”
视觉探索
在离她宽敞实验室只有几步之遥的沙茨办公室里，没有传统的家庭纪念品。这个空间设计得简洁实用，有百叶玻璃墙，架子上的照片都是她的职业亲属：导师、同事、前学生。
然而，有一幅装裱的艺术品将沙茨与她的童年以及她自身脑回路最早的影响联系起来。这是一幅她已故母亲创作的蚀刻画，她的母亲是一位热爱科学的艺术家。这幅画描绘了一个神秘的灰色团块，围绕着一个强烈的红点，是根据一张20世纪80年代从杂志上剪下的神经肌肉接头（神经元与肌肉之间的连接）的电子显微照片绘制的。
“她是一位非常认真的画家，”沙茨说，“而且她非常懂生物学。我认为她会成为一名优秀的医生。但她留在家中抚养我们——那是那个时代的写照。”沙茨的父亲是一名航空工程师，他曾帮助设计了阿波罗13号登月舱的制导系统。
在康涅狄格州西哈特福德长大，沙茨吸收了母亲对视觉艺术的热情。但她也，用她自己的话说，是一个“科学迷”——对于一个在艾森豪威尔总统离任前就步入青少年的女孩来说，这是一种性别激进的立场。她的父母鼓励她追随自己的兴趣，无论它们多么不寻常或不相关。
沙茨追随父母去了拉德克利夫学院，在那里她主修化学，但也选修了设计课程。与诺贝尔奖得主、研究眼睛如何感知颜色的生物化学家乔治·沃尔德（George Wald）的课程，帮助她激发了对研究视觉背后的脑部机制的兴趣。“我意识到我可以兼得两全，”沙茨回忆道。在她告诉导师她想写关于人们如何看见的荣誉论文后，他把她送到了河对岸的哈佛医学院，那里有两位雄心勃勃的科学家，大卫·休伯尔（David Hubel）和托尔斯滕·维厄塞尔（Torsten Wiesel），正在研究视觉系统的可塑性。
她花了近一年时间与这对后来获得诺贝尔奖的搭档学习。休伯尔和维厄塞尔已经以绘制了初级视皮层（大脑皮层后部接收视网膜输入的区域）的结构而闻名。
作为这项工作的一部分，他们发现了该区域的斑马状条纹——被称为“眼优势柱”——由处理来自右眼、左眼或双眼信息的神经元组成。在此发现之后，他们的重点是确定这种结构模式是否完全由基因决定，还是经验也起作用。
休伯尔和维厄塞尔想了解，除其他事项外，为什么患有白内障的儿童——与成人不同——如果障碍物未及时移除，可能会永久性地丧失患眼视力。为了找出原因，他们剥夺了猫和幼猫一只眼睛的视力很长一段时间。
他们发现，在一只眼睛被缝合的幼猫中，眼优势柱发生了根本性变化。分配给那只看得见眼睛的条纹扩张，而分配给被阻挡眼睛的条纹萎缩。科学家们观察到，这些变化只发生在“关键时期”，即幼年动物的神经回路仍在发育的时期。在成年猫中，就像6岁以上的人类一样，这种可塑性大大降低。
沙茨目睹了其中一些里程碑式的实验，它们让她着迷。1969年毕业时，她知道自己想进一步探索眼脑连接。但是怎么做呢？她的两位做医生的叔叔敦促她继续读医学院，但沙茨不确定。
几年前，她的祖母——一个才华横溢的女人，她是家族第一个上大学的人——中风后瘫痪且失语。“我的两位叔叔都是神经科医生，他们却对此无能为力，”沙茨回忆说。“研究还不够。”她决定成为一名神经生物学家。
1976年，在返回休伯尔和维厄塞尔实验室攻读博士学位后，她成为哈佛大学第一位获得神经生物学博士学位的女性。1978年，她被斯坦福大学聘用，不久后成为该校第一位获得基础科学终身教授职位的女性。她指挥着自己的实验室，着手拓展导师们的工作，最终走进了全新的领域。
火与线
休伯尔和维厄塞尔揭示了大脑中神经可塑性工作原理：基本神经结构是硬连线的。例如，眼睛在基因上被编程为连接大脑的视觉部分，而不是听觉部分。精细调整该回路——将眼睛连接到视觉皮层的特定部分——是由经验塑造的。
为了理解这一点是如何工作的，回顾一些基础生物学知识会有帮助。当神经元被刺激时，它们会产生足够的电流尖峰，将神经递质传递到称为突触的微小间隙，然后其他神经元也会受到类似的刺激和触发。随着信号沿着线路传递，整个回路被启动。
处理大量强大、同步信号的神经元会萌发更多的神经递质生成的终端，它们与其他神经元沿着信号通路连接会变得更强。（神经科学家对此有个口号：“一起放电的细胞一起连接。”）传输信号少、弱或不同步的突触会被修剪掉。这样，大脑回路就会随着使用而重塑。
到20世纪70年代末，研究人员已经了解到许多关于该过程如何在哺乳动物视觉系统中发挥作用。基因编程的分子引导胚胎神经纤维从光感受性视网膜流向视觉皮层，在那里感知图像。起初，连接非常粗略；在人类和其他哺乳动物出生时，眼优势柱的条纹已经部分形成。然后，来自眼睛的输入有助于精炼神经通路，直到经过几个月到几年的时间（取决于物种），柱状结构成熟并稳定。
但是，重大的问题仍然存在。基因的影响到底从哪里开始，经验又从哪里开始？哪些生化过程使感觉输入改变大脑的连接？为什么不仅在视觉系统，而且在其他区域，青少年比成年人具有更大的神经可塑性？
为了寻找答案，沙茨决定专注于外侧膝状体（LGN），这是一个位于每只眼球后方的、形似一小块肘形通心粉的组织团，它充当着将视觉信号传送到眼优势柱的转运站。
LGN的层在猫胎儿怀孕约47天时开始形成。动物出生（约60天）时，这些层几乎完全形成。人们长期以来一直认为，这个过程是硬连线的，直到动物睁开眼睛，然后由经验完成这项工作。然而，沙茨怀疑，这些分层可能受到动物在子宫内时来自视网膜的自发神经冲动的指导。
1988年，她用一种叫做四环庚二烯（tetrodotoxin）的毒素来检验猫胎儿的假设，这种毒素会阻止神经冲动放电。在怀孕42天时，她对外分泌物进行了手术，为它们安装了向大脑泵入神经毒素的微型水箱，然后将它们放回子宫。（“卡拉在实验室的手很好，”斯坦福大学神经生物学家Sue McConnell回忆道，她当时是沙茨的博士后研究员。）
表面上看，胎儿继续正常发育。但是，当两周后检查他们的大脑时，沙茨的猜测被证明是正确的：LGN的层未能发育。
沙茨现在有了间接证据，表明这些层是响应视网膜信号而形成的，由基因编码，而不是由经验编码。但直到三年后，她才能够观察到信号的实际作用。与她的同事丹尼斯·贝勒（Denis Baylor）合作，她采集了猫和雪貂胎儿的视网膜，将每块组织放在营养培养皿中以保持其存活。然后，她将每块视网膜放在一个电极网上，这些电极被连接起来以检测集体神经活动。
电极检测到同步神经冲动的波浪穿过视网膜组织，一次形成多达100个细胞的斑块。“这就像眼睛里的神经细胞区域在给大脑打电话，检查连接，”沙茨回忆道。
她推测，在发育中的胎儿中，这些电话会到达LGN中的神经细胞群；随着它们与视网膜神经元的突触连接增强，LGN神经元将开始形成自己的“区号”。
与此同时，连接不良的突触将被修剪掉。出生后，视觉输入将进一步梳理LGN的线路，直到与左右眼相关的层完成。然而，要确定这个过程的确切工作方式，还需要更多的研究。
