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威廉·伦琴于1895年发现了X射线，宣告人类具备了窥见人体内部的能力。但X射线完全无法显示大脑的内部损伤。约翰斯·霍普金斯医院的沃尔特·丹迪（Walter Dandy）在1919年发明了“气脑造影术”，这是向大脑深处的中空脑室注入气体，然后在颅骨的X射线检查中观察骷髅状大脑轮廓的技术。但直到20世纪70年代，计算机断层扫描和磁共振成像才能无痛而准确地显示颅内结构。因此，从19世纪60年代到20世纪60年代，确定人脑功能区域的过程完全依靠对颅脑损伤患者进行尸体检查。真正解开大脑的秘密需要一种突破性技术，使神经科学家的目光转向单个脑细胞。这样医生才能理解那一团高深莫测的细胞，也就是大脑。
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约瑟夫·杰克逊·利斯特发明的消除色差的透镜极大地改善了显微镜技术，但更重要的是，现代化学的出现和染料的应用使组织变得鲜明可见，为研究细胞的组织学带来了巨大的进步。然而，神经组织不易染色，而且人们对脑细胞之间的接触和交流方式也争论不休。事实上，有些专家认为，大脑是由一个单细胞构成的单个器官，细胞自身如一大团毛发状纤维交织在一起，这就是“网状说”（reticular theory）。科学家每次尝试为神经组织染色都会在显微镜下看到一团乱糟糟的神经纤维，19世纪中期的那些组织学先驱显然被大脑搞糊涂了。
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威廉·珀金在1856年发现了苯胺紫（详见第八章），开启了合成染料工业，使服装制造业焕然一新，也为现代化学带来了翻天覆地的变化。不久后，德国的大学和企业在药理学、化学和制造业领域占据了世界市场的主导地位，所以发明新一代组织染色技术并让组织在显微镜下栩栩如生的研究者是位德国科学家，并不让人意外。奥托·戴特斯（Otto Deiters，1834—1863年）是最早看到，也知道自己看到了单个神经细胞的人之一，这位年轻的德国神经解剖学家在26岁时发明出一种神经细胞染色技术，能够在极高的放大倍率（300倍）下特别灵敏地筛出单个细胞。由于显微照相术尚未发明，戴特斯亲手画出了自己的发现。他画的图像明确显示，大脑和脊髓是由一个个细胞组成的，这些细胞以蜿蜒曲折的突触进行互动。他用细小的针头成功地分离出单个细胞，简直令人难以置信，[7] 但要弄清大脑中细胞之间的相互作用，则需要科学的奇迹。在显微镜下观察脑组织的横截面就像在看一碗意大利面，而试图认出单个神经细胞相当于追踪碗里的一根面条。或许戴特斯能够推导出答案，但遗憾的是，他在29岁时死于伤寒，过世时尚未完全发表他的研究，而我们也只能等待另一位研究人员来解开神经的秘密。
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卡米洛·戈尔吉（Camillo Golgi，1843—1926年）在伦巴第区紧邻瑞士边境的科尔泰诺出生长大。戈尔吉的父亲是当地医生。1860年，他遵循了父亲的职业足迹，南行前往帕维亚大学学医。尽管他在第一个十年中的学术成绩并不突出，但戈尔吉确实得到了心理学和组织学早期开拓者的指导，这激发了他对微观神经学的研究兴趣。在1 000千米之外，罗伯特·科赫正在开创性地利用显微镜研究细菌。与科赫和利斯特一样，戈尔吉后来在厨房的临时实验室中进行了自己最重要的研究。
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戈尔吉跟随一位重要的组织病理学家学会了分析技术之后，于1872年离开了帕维亚的舒适环境，前往位于米兰市郊的阿比亚泰格拉索（Abbiategrasso）。在接下来的三年中，戈尔吉发明出一种为神经细胞染色的新方法。他不断地改变着使用试剂的时机和顺序，直到迎来科学的重大发现时刻。戈尔吉在厨房实验室里尝试着各种混合物，他将一只狗的大脑样本埋入一块固体石蜡中。在那之前，他为了防止大脑腐烂，已经用福尔马林“固定”了组织。石蜡变硬之后，这位30岁的科学家将薄得几近透明的嗅球进行了切片处理。这一次，在1873年，卡米洛·戈尔吉首先将样本放入重铬酸钾，然后放入硝酸银。神秘的现象发生了，载玻片上只有少数神经元从银色染成了墨黑色，而其他区域为土黄色。直到今天，也没有人知道为什么只有少数几个神经元会对硝酸银产生反应，但这一结果却揭示出栖息于大脑中的单个神经细胞的真面目。通过对相邻的切片重复染色，样本的结构一目了然。在这个过程中，戈尔吉将其富有艺术性的手法发挥到了极致。[8]
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1875年，戈尔吉发表了一份令人惊叹的医学艺术品，向人们展示了哺乳动物嗅球神经细胞的柱状组织结构。他准确地描绘出神经细胞体及其树突部分的植物般布局，毕加索或达利的绘画也不会比这图像更有创意了。这种“黑色反应”现在称为戈尔吉法，至今仍然是神经组织染色的标准方法，[9] 戈尔吉也由此发表了世界上第一张神经元绘图。然而，戈尔吉却认为复杂的神经纤维突触就是单个神经细胞的全部，这无疑巩固了大脑组织结构的“网状说”。他当然是错误的。幸运的是，十年后一位富于想象力的西班牙医生看到了戈尔吉的杰作，从而开启了一项赢得诺贝尔奖的大脑结构研究。
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圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal，1852—1934年，见彩插20.2）在35岁时第一次看到戈尔吉的神经细胞染色法。他的父亲是萨拉戈萨的一名解剖学教师，但拉蒙-卡哈尔不愿与父亲一样学医。转折点是一次传奇的墓地历险，父亲恳请他在那里运用素描技巧绘出骨骼草图。[10] 这位极具天赋的艺术家（自称是一名性格腼腆、不善交际、神神秘秘的学生）[11] ，发现自己擅长绘画，适合做一名科学绘图师，于是才进入父亲任解剖学教师的医学院学习。作为一名年轻医生，拉蒙-卡哈尔在服军役时染上过疟疾，身体条件不适合行医，于是他转而研究组织学，这反倒更贴近其天生的内向性格。“我最终选择了严谨的组织学作为职业道路，一场享受宁静的旅程……［这样］我应该可以快乐地在属于自己的角落里思考生命的魅力……”[12]
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1887年，尚未忘记少年志向的中年医生拉蒙-卡哈尔看到了戈尔吉的细胞图，其技艺的魅力无疑征服了这个西班牙人。在接下来的半个世纪中，他详细地绘制出大脑和脊髓的外观，更重要的是，他解开了复杂的神经组织结构之谜（见彩插20.3、彩插20.4）。
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拉蒙-卡哈尔作品的艺术价值是没有争议的。他的科学绘图以其重要的艺术价值和学术意义传遍了各大洲。就像维萨里在《人体构造论》中呈现出夺目的视觉效果，拉蒙-卡哈尔的作品也十分精美，但因为他在表现一种关于神经元结构的想法 ，所以这些图示传达出的真实性，在任何单张显微镜载玻片上都无法证明。从这个角度看来，艺术表现力和想象力甚至比照片的捕捉能力更为重要。
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拉蒙-卡哈尔的艺术表现精美绝伦，同时他的科学发现为我们打开了通往神经科学这一新领域的大门。戈尔吉是神经染色的先驱者，而拉蒙-卡哈尔的创新则将这一领域带到了前所未有的高度。戈尔吉相信大脑的网状说，而拉蒙-卡哈尔能够证明大脑是由亿万个神经细胞构成的。人们普遍认为，大脑是由一千亿个细胞组成的，每个脑细胞都能够与成千上万个其他细胞相连。毋庸置疑，拉蒙-卡哈尔是神经科学之父，这位巨匠为展示神经在大脑、脊髓和身体中的惊人游走路径铺平了道路。
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拉蒙-卡哈尔并不认为大脑是一团胶质，而是将这个组织看作“我们体内嗡嗡作响、永不休止的蜂巢”。[13] 即使最幼稚的医学生也能够认识到，细胞极小极小，肉眼当然是看不见的。而拉蒙-卡哈尔及其追随者指出了一个惊人的事实：在大脑的最外层即大脑皮层（产生运动冲动的地方）与它指挥移动的肌肉（如拇指屈肌）之间，只有两种神经细胞 。细小的“上运动神经元”始于大脑皮层并发出其刺状的、携带电信号的轴突，沿着大脑向下到达脑干。轴突在这里“垂直交叉”穿过脊髓，并沿脊髓下行，轴突的卷须状纤维在脊髓的另一侧继续向下延伸，直至触及颈部的“下运动神经元”。这种神经细胞从脊髓穿过颈椎之间的神经根，沿手臂向下延伸，直至前臂的拇指肌。在普通身型的成年人体内，“下运动神经元”的轴突长度超过两英尺 ！如此纤细的东西竟然可以这么长，简直令人难以想象。而如果科学家指出，细于蛛丝的轴突纤维可以从脊髓一直通到肌肉，我们同样会感到不可思议。这解释了为什么脊髓受伤后，重新连接每一根轴突束几乎是不可能的，也解释了为什么没有手术可以重接受损末端……目前还没有。
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“今天，当我们看着他的［拉蒙-卡哈尔的］绘图，呈现于眼前的不是图表或者结论，而是探索遥远前沿地带的第一幅清晰图景，绘制出它的人一直远行至无尽的远方。”[14] 圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔开启了对大脑和思维迷宫的研究。与戈尔吉一样，他也活到82岁，直到躺在病榻上，也没有停止探索的脚步。此时距离计算机断层扫描和磁共振成像阐明大脑的动态功能还有几十年，而拉蒙-卡哈尔如同漂泊在大海上的探索者一般，数年来日复一日地窥视着显微镜目镜，概括我们的微观世界景象。他永远是最伟大的思维制图师。
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爱德华·埃瓦茨（Edward Evarts，1926—1985年）在纽约市出生，就读于哈佛大学和哈佛医学院，1948年获得医学博士学位。毕业后，他即刻开始了自己的心理神经学研究生涯，并简单地完成了一个为期两年的精神病学培训项目，然后回到位于马里兰州贝塞斯达的美国国家心理健康研究院神经生理学实验室，在那里工作了30多年。埃瓦茨致力于钻研大脑的功能性通路，然而他不是对已经死亡的脑物质进行组织染色，而是发明出一种测试大脑电传导的方法。他的患者不是患有心理问题的病人，而是猫和猴子。
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埃瓦茨在20世纪60年代取得了几项突破性发现，特别是他发明出一种跟踪动物单个大脑皮层神经元的方法。埃瓦茨在1962年和1964年发表的文章中，先后介绍了未进行任何麻醉和约束的猫[15] 和猴子[16] 分别在清醒和睡眠状态下接受玻璃绝缘式铂铱微电极的结果。后来，埃瓦茨能够在猴子的操作性条件反射运动中跟踪单个神经元的活动。[17] 这些研究以神经生理学先驱数十年来的研究成果为基础，也遵循着医学每个分支领域的发展模式，包括解剖学、生理学以及最终的病理学。埃瓦茨并不是第一个在实验室动物身上使用植入式电极的人，但他“巧妙地完善了单个细胞记录法”，[18] 使其得到广泛应用，并为跟踪更加复杂的神经回路提供了可能性。
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埃瓦茨的最终目的是了解精神活动的物理基础，而他推断这首先要从理解四肢运动的放电模式开始。他认为“必须先理解运动，才能理解其背后的思维活动”。[19] 在接下来的20年中，埃瓦茨破译了神经放电的时间和顺序，不过，除了实验室技术之外，他对神经生理学的最大贡献是指导了一批杰出的神经科学家，其中包括一名哈佛住院医师，这位年轻人如果没有在公共卫生系统找到一份为山姆大叔效力的工作，就注定会被送往越南战场。医学及人文科学博士马伦·德隆（Mahlon DeLong）十分幸运，美国国家卫生研究院（及其心理健康研究院）将他中途拦下。
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马伦·德隆（生于1938年）就读于斯坦福大学，跟随一位研究淡水螯虾神经系统的生理学家学习。这位教授就是唐纳德·肯尼迪，未来的斯坦福大学校长以及《科学》杂志主编。[20] 德隆的本科学习并不是典型的医学院预科，却激发了他对生物系统的研究兴趣，于是，他考入了东部的哈佛医学院并于1966年毕业。他原本留在波士顿做住院医师，但由于越南战争的军事后勤需要，美国在1969年进行了臭名昭著的越南征募抽签。一旦抽中，（年轻的医生们）将被派往海外军医部队，德隆不想承受这样的风险，于是他接受了国家心理健康研究院爱德华·埃瓦茨实验室的研究员职位。在接下来的五年中，德隆将成为探究“思维线路板”的先锋部队中的一员。
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进入实验室工作后，德隆很快便意识到，大多数比较容易接近的大脑区域已经由实验室其他人员负责研究，而人们对遥不可及的大脑中心地带还知之甚少。这对德隆而言“就如同探索地图上尚未标记的非洲或亚马孙地区并为其绘图”。[21] 由于所有的“好地方”如运动皮层和小脑，都已经得到了一定的研究，马伦·德隆将注意力放在了“基底神经节”上，这一区域的常规结构和生理机能还几乎处于未知状态。这位年轻研究员并没有该领域的博士学位，但他很快便发现了一个惊人的事实：正如大脑皮层具有特异性，基底神经节中编码运动的神经通路也有局部特异性。
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正如保罗·布罗卡预测的那样，大脑功能是按区域划分的。大脑有极为特别的功能区，例如运动皮层。不但所有肌肉功能都由这个“运动带”（motor strip）控制着，而且在这个大脑的褶皱带中，形成了一套关于运动职责的怪异组合结构，在插图中往往以“侏儒”（homunculus）或“小人”（little man）的形象示人（见彩插20.5）。
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从图中可以看出，感觉区的分布似乎没有逻辑。例如，膝部感觉的位置靠近头顶，大脑在那里被平分为左右两个半球。同样，掌管面部肌肉运动的区域来自大脑半球中部的运动带——亲爱的读者，如果你触摸耳朵上方的头皮，皮下1英寸深处的大脑部分就控制了与你触摸位置相对的另外半张脸。德隆的重大发现是，在基底神经节中，分布着类似的独特活跃细胞，这些神经细胞与面部、手臂和腿的特定运动有关。他于1971年发表的文章[22] 具有里程碑式的意义，[23] 极大地挑战了科学家们所预想的基底神经节在运动中的作用。
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这篇文章发表后不久，德隆就回到了大学附属医院，不过，他并没有返回波士顿，而是转到了约翰斯·霍普金斯大学，在神经内科完成了三年的住院医工作。当身穿住院医师白大褂的德隆医生向上级医生讲解基底神经节的功能，显然他偶尔会遇到这种角色转换引起的尴尬。做住院医师间，德隆继续着自己的研究工作，然后便留在了约翰斯·霍普金斯大学，直到1989年。在这些年中，德隆及其医学研究小组证明，基底神经节的“结构并不是一个向运动皮层传送多种影响的漏斗，而是一系列平行独立的神经回路的组成部分，接送来自特定大脑皮层的信息。另一项惊人的发现是，神经回路不仅与运动有关，而且涉及认知和情感”。[24] 简单来说，马伦·德隆破解了大脑最深部的秘密，最终了解了为什么帕金森病这样的疾病会同时导致手部震颤痉挛和双腿无法活动。
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19世纪的杰出科学家无法对震颤、癫痫、偏头痛和脑部感染做出解释。圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔绘制出了自己看到的神经通路。接下来的一批神经科学家运用电极确定了神经细胞的放电模式，但科学家们需要患帕金森病的哺乳动物模型，才能进一步阐明运动障碍的复杂通路，或许还可以进行奇迹般的手术干预。1982年还没有人想过脑植入物，那是科幻小说里的东西。马伦·德隆一直希望能够以动物模型来检验自己的假说，这时他偶然读到了《科学》杂志上的一篇报道，文章详细介绍了湾区的海洛因食用者一夜之间变成帕金森患者的离奇故事。
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完成神经内科住院医师培训之后，德隆医生留在了约翰斯·霍普金斯大学，组建了自己的实验室，继续探索基底神经节的基本结构和功能。德隆受到MPTP患者报道的启发，想知道是否可以为帕金森病建立一个动物模型。他预感帕金森病的损害要比理论家们所认为的复杂得多。破解病因和发现治疗方法需要极大的想象力，而德隆“十分善于客观而抽象地思考事物的本质”，[25] 所以他正是破解大脑深处“黑匣子”复杂密码的合适人选。
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德隆最早在实验室动物身上进行的人造帕金森病研究工作为大脑研究带来了翻天覆地的变化。我们大多会将手部震颤症状与帕金森病联系起来，而这种疾病的其他主要症状包括四肢僵硬、行动缓慢、面部表情消失以及语言不清。总而言之，大部分症状都说明从运动皮层到肌肉的神经传导出现了抑制或者“简化”，因此，科学家们得出结论，帕金森病可以概括为控制运动的神经元之间出现了神经传导减慢的情况。事实恰恰相反 ，马伦·德隆回忆道：“一开始有人怀疑，但在实验第一天，我们就看到活动模式和放电速率变化很大，基底神经节的输出上升了 ，而不是下降了。”[26]
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德隆和同事们意识到，解密基底神经节是理解运动障碍的关键。随着实验的开展，他们发现了一个鲁布·戈德堡式的奇妙装置，大脑皮层和基底神经节元素之间的神经回路在这里成为焦点。他们首次观察到，某些神经通路向其他细胞巢发出了抑制信号，结果，沿“抑制”线路增加的放电导致下一次停留的信号减少。
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这是生理学和医学中的一个重要概念：在我们的DNA中、细胞中、腺体与器官之间以及神经通路中，都具有一些功能性元素，当信号分子或神经传导增加， 对应的效果会减少 。一个典型的例子是肿瘤抑制基因p53。“抗癌基因” p53处于激活状态时，可以帮助修复DNA缺陷、稳定细胞的完整性，从而抑制细胞从健康状态到癌变状态的转化。我们体内的许多激素具有类似的行为模式：蛋白激素分泌的增加会导致另一种蛋白质或离子的减少。换一个角度看，失去抑制就是纯刺激 。德隆证明，基底神经节是一组复杂的“平行独立的神经回路”，通过不同的神经通路连接基底神经节的各个区域和大脑皮层的特定区域，有些具有兴奋性，有些具有抑制性。同样令人惊讶的是，这些回路不仅与运动有关，也涉及情感和认知。
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