在生命科學和醫(yī)學研究領(lǐng)域，動物實驗是很多研究的必經(jīng)之路。人們習慣用“小白鼠”來指代科研中用到的實驗動物，但實驗動物卻不只有小鼠，還有線蟲、斑馬魚、果蠅、裸鼴鼠、兔、狗、猴，以及——

我們親愛的喵星人。

【資料圖】

是的，這種擁有大批“貓貓教”信徒的可愛小動物，還有另一重身份：持證上崗的實驗動物。科學家能摘下諾貝爾獎的桂冠，背后甚至還有它們的功勞。

1912年：經(jīng)歷過腎臟移植的貓

貓和諾獎的淵源可以追溯到1912年。

那一年，法國醫(yī)生亞歷克西斯·卡雷爾（Alexis Carrel）憑借血管三點吻合術(shù)和器官移植方面的工作被授予諾貝爾生理學或醫(yī)學獎?？ɡ谞柡髞硪驗檎涡叛鍪艿皆嵅?，但憑借年輕時的突出成就，他還是被稱作“器官移植之父”，和這個稱號一起被提及的還有他在各種動物身上開展的一系列器官移植實驗。

關(guān)于卡雷爾，流傳最廣的故事或許是他曾成功將一只狗的兩顆腎臟移植到另一只事先做過腎臟移植的狗身上。其實，他也曾在貓身上成功進行了雙腎移植手術(shù)，而且，1908年他在貓身上首次成功完成的單腎臟移植手術(shù)，證實了單腎移植即可維持正常的生命活動。

經(jīng)歷過腎臟移植手術(shù)的貓，這是它術(shù)后21天時的樣子，拍攝時它正在看一片肉丨參考文獻[1]

翻閱卡雷爾發(fā)表于1906-1908年期間的論文，能看到大量關(guān)于貓的腎臟移植手術(shù)的記錄：

實驗9.—— 1907年10月14日

準備宿主：灰白的母貓，住在實驗室中數(shù)月；年輕且身體很好。

10月1日，檢查尿液——呈黃色、清澈狀態(tài)，密度 1.039，尿素 5.9克每毫升，沒有白蛋白。像往常一樣打開腹部和內(nèi)臟。腸道由用消毒且涂有凡士林的日本絲質(zhì)毛巾保護。雙腎的解剖和摘除：結(jié)扎卵巢靜脈、下腎上靜脈和兩個主動脈側(cè)枝。

……

10月15日 貓有一點病容，喝水，在它的籠子里走來走去。從昨天下午四點到現(xiàn)在只有25毫升的尿液，深黃色，有一點血和白蛋白，密度 1.051。

10月16日 貓有好轉(zhuǎn)，喝牛奶并吃了一點肉，尿量16毫升。

10月17日 狀態(tài)很好，喝牛奶，吃了肉。

10月18日 同上

10月21日 貓已經(jīng)完全恢復(fù)，和術(shù)前一樣是只正常的貓。

……

11月7日 貓有點抑郁，在它的籠子里走來走去。

11月14日 早上貓看起來很好，但是晚上它看上去病了，它的鼻子里發(fā)出聲音，拒絕吃飯。

11月18日 貓很虛弱

11月19日 下午一點死亡。

得益于卡雷爾證明了“切除雙腎后，僅靠移植單側(cè)腎臟就可以挽救生命”，人們意識到，捐獻者只需捐獻一半的腎臟便可以挽救生命，這也為后來的活體腎臟移植埋下了伏筆。

在隨后的幾十年中，隨著技術(shù)的發(fā)展，終于在 1954年，美國哈佛大學的約翰·梅里爾（John P. Merrill）和戴維·休姆（David Hume）醫(yī)生成功進行了人類歷史上第一次活體器官移植，將同卵雙胞胎弟弟的一側(cè)腎臟，成功捐獻給了他患有尿毒癥的哥哥，就這樣，哥哥的生命多延續(xù)了八年，而且失去了一側(cè)腎臟的弟弟也安然活到了79歲。

對當時的人來說，尿毒癥是無異于腫瘤的絕癥，五年生存率并不高。而活體腎臟移植的成功，無疑給患者帶來了生存的希望。

1932年：貓的課堂

在卡雷爾的貓接受器官移植的同一時期，神經(jīng)生理學家查爾斯·謝靈頓（Charles S. Sherrington）正在用貓來探索神經(jīng)反射和本體感知，這些研究讓他在1932年摘獲了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

在牛津大學任教期間，謝靈頓的身邊總有貓。他教授一門哺乳動物相關(guān)的課程，課堂里一般有五六只貓作為教學工具，而他的實驗室，因為隨處可見實驗貓，而被學生們稱作“貓的課堂”（cat class）。

1898年，謝靈頓發(fā)現(xiàn)如果在貓的中腦上、下丘之間橫切腦干，貓會出現(xiàn)僵硬的狀態(tài)，比如頭尾昂起、脊柱挺硬、四肢伸直。這種現(xiàn)象叫做去大腦僵直（decerebrate rigidity），是因為伸?。ㄓ址Q為抗重力肌，當它收縮時可以使四肢或身體其他部分伸直的肌肉）過度緊張導(dǎo)致的。在此基礎(chǔ)上，謝靈頓發(fā)現(xiàn)了牽張反射（stretch reflex），也就是肌肉過度緊張的時候出現(xiàn)的反射。

a. 去大腦僵直狀態(tài)下的貓；b. 在去大腦僵直狀態(tài)下刺激貓的左前腳；c. 在去大腦僵直狀態(tài)下刺激貓的左后腳丨參考文獻[3]

貓**如何站立和“走貓步”**也引起了謝靈頓的興趣。1910年，謝靈頓描述了這樣一種現(xiàn)象：即便將大腦切除，貓依舊可以站立，并且可以做出規(guī)律的交替步行動作。因此他認為，動物的站立及規(guī)律行走是由于下肢著地所產(chǎn)生的感覺刺激引發(fā)的，感覺刺激所觸發(fā)的“站立反射”或“跨步反射”并不需要大腦的參與，而是直接通過脊髓，這讓人們對運動的了解更進一步。

摘除大腦站立的貓丨參考文獻[4]

1917年，謝靈頓又把目光放在了貓的耳廓和其能做出的反射上，他細致地定義并研究了貓耳的各種反射，包括縮回反射、折疊反射、覆蓋反射、瘙癢反射以及搖頭反射，并證明這些反射不需要大腦的參與。在論文中，他寫道：

“貓的耳廓敏感且靈活，能產(chǎn)生許多反射。其中一個我曾在之前的研究中簡單提過，我知道其他人沒有關(guān)注過它們，盡管毫無疑問，它們肯定被其他觀察者遇到過?！?/p>

謝靈頓論文中手繪的貓耳丨參考文獻[5]

同時他還發(fā)現(xiàn)，同樣不需要大腦參與，貓在面對狗吠、貓叫和鳥鳴時就可以做出尾尖左右擺動或毛發(fā)豎立這些反射。這些對貓耳和擺尾等多種反射形式的研究讓人們認識到，神經(jīng)反射的類型遠比想象中要豐富。

1981年：真·戴眼罩的貓

如果要給1981年的諾獎典禮上選定一只吉祥物，貓咪或許是最合適的，因為那一年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了兩個團隊的科學家，而兩個團隊都不約而同選擇了用貓來做實驗。他們分別是發(fā)現(xiàn)大腦半球功能特化的羅杰·斯佩里（Roger W. Sperry）以及弄清楚視覺系統(tǒng)中信息處理的大衛(wèi)·休伯爾（David H. Hubel）和托斯坦·威澤爾（Torsten N. Wiesel）。

在斯佩里所處的時代，人們已經(jīng)通過解剖學發(fā)現(xiàn)左右腦被一束纖維連接在一起，這束纖維形狀扁平、長約10cm，被命名為“胼胝體”。但當時的人們只知道“胼胝體”在結(jié)構(gòu)上連接了左右腦，并不知道它在功能上的具體作用。于是斯佩里想試試切斷胼胝體，來弄清楚它是否能傳遞大腦兩個半球的信息。

他選擇了視覺信號作為大腦需要接受的信息，這樣可以很方便地通過遮住一側(cè)眼睛來實現(xiàn)半側(cè)大腦半球的信號輸入。

在發(fā)表于1953年的研究中，斯佩里給切開胼胝體的貓戴上遮光眼罩，并教它們分辨方形和圓形。他首先讓貓遮住左眼，用右眼學習分辨不同的形狀，然后換過來，遮住右眼，讓貓用左眼學習分辨完全同樣的形狀。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大腦之間的信息傳遞正常的情況下，第二次的學習相對于第一次學習內(nèi)容的強化，因此習得速率則會相對第一次學習突飛猛進。但對于切斷了胼胝體的小貓，用右眼學到的知識在第二次左眼的學習依然完全陌生，這說明切斷了胼胝體后，兩側(cè)腦半球無法進行信息傳遞。

被蒙住單眼的貓需要用另一只眼睛分辨的幾組不同的形狀丨參考文獻[6]

確認胼胝體是大腦兩個半球信息交互的橋梁后，斯佩里敏銳地覺察到，為了治療癲癇而切斷胼胝體的病人們無疑是進行大腦左右功能研究最好的實驗對象。由此，斯佩里成為了認知神經(jīng)科學領(lǐng)域中的領(lǐng)軍人物，在腦科學的發(fā)展中扮演了不可或缺的角色。

休伯爾和威澤爾同樣熱衷研究貓的眼睛，這是因為貓的鼻吻較短，與人類扁平的面部結(jié)構(gòu)更為相似，也在做視覺相關(guān)的實驗時更容易設(shè)計隔斷視域，另外貓的眼眶與頭骨大小相比較大，視覺系統(tǒng)較為完備，便于研究。

在25年的合作中，休伯爾和威澤爾推動了對視覺神經(jīng)機制的探索。他們開發(fā)了一套方法，可以測定視覺皮層單個細胞的活動，然后給貓看不同方向與波長的光帶，同時用微電極測出視覺神經(jīng)元的電位變化，來鑒定出不同類型的視覺神經(jīng)元。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，貓的視覺初級皮層中的某些細胞對光的朝向非常敏感，而另一些細胞則對光的波長敏感。

實驗中看光帶的貓丨參考文獻[7]

另外，他們還通過縫合幼貓的眼皮，研究視覺發(fā)育期單眼視覺剝奪對視覺皮層的影響，發(fā)現(xiàn)視覺的編碼是在出生后才形成的，而且需要一個必要的因素，就是“視覺刺激”。在視覺發(fā)育的黃金時間，眼睛只要閉上幾天，視覺皮層就會發(fā)生永久性的功能變化。由此，他們提出了視覺神經(jīng)發(fā)育的“關(guān)鍵期”（critical period）的概念。

在這一基礎(chǔ)上，后來有了更多的研究證明，不僅是視覺需要發(fā)育早期外界信息的刺激，聽覺、語言習得以及運動機能等都需要。同時，神經(jīng)發(fā)育關(guān)鍵期這一概念的提出，還為了解和治療兒童白內(nèi)障和斜視打開了新的大門，如果能抓住視覺發(fā)育的關(guān)鍵期對兒童進行手術(shù)治療和視力糾正，可以使很多孩子避免終身低視力或眼盲。

其實，在科學研究中（不僅僅是獲得諾獎的研究），關(guān)于貓的故事還有很多，一些和人類健康息息相關(guān)的研究，比如胰腺和肝臟的生理學研究、乙酰膽堿的發(fā)現(xiàn)、抗抑郁藥物的研發(fā)等等……都有著貓的身影。

讓我們說：謝謝貓貓。

圖丨Giphy.com

參考文獻

[1] Carrel, A., Transplantation in Mass of the Kidneys. J Exp Med, 1908. 10(1): p. 98-140.

[2]Ebeling, A.H. and A. Carrel, Remote Results of Complete Homotransplantation of the Cornea. J Exp Med, 1921. 34(5): p. 435-40.

[3]Sherrington, C.S., Decerebrate Rigidity, and Reflex Coordination of Movements. J Physiol, 1898. 22(4): p. 319-32.

[4]Sherrington, C.S., Flexion-reflex of the limb, crossed extension-reflex, and reflex stepping and standing. J Physiol, 1910. 40(1-2): p. 28-121.

[5]Sherrington, C.S., Reflexes elicitable in the cat from pinna vibrissae and jaws. J Physiol, 1917. 51(6): p. 404-31.

[6]Myers, R.E., Interocular transfer of pattern discrimination in cats following section of crossed optic fibers. J Comp Physiol Psychol, 1955. 48(6): p. 470-3.

[7]Hubel, D.H., Single unit activity in lateral geniculate body and optic tract of unrestrained cats. J Physiol, 1960. 150: p. 91-104.

作者：一只哈代

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標簽： 參考文獻 器官移植 腎臟移植