1700675169
20世纪初，研究神经系统工作机制的科学家面临着一个重大问题。卡哈尔和其他一些研究者发现，神经元都是独立的结构，而且大家都知道有某种电荷通过神经元，从树突传递到轴突，就像电报或电话信息通过电线传递一样。但人们不太清楚接下来发生了什么。如果像高尔基和其他一些人提出的那样，神经元是一个连续的神经元大网的一部分，那么电荷就会在整个网络中传开。但大多数动物的神经并不是这样组织的。尽管细胞与细胞之间是分开的，但通过某种未知的方式，神经冲动还是从一个细胞传递到了另一个细胞。对于卡哈尔来说，对这个过程最好的类比来自技术领域：“只有通过邻接（contiguity）或接触（contact），电流才能从一个细胞传输到另一个细胞，就像拼接两根电报线一样。”[37] 但这充其量只是一种假说，实际上，这只是一种猜想。尽管卡哈尔技艺精湛，但他还是没有证据证明当两个神经元相遇时会发生什么，也没有证据说明电流是如何传输的。
1700675170
1700675171
有时候，一个问题会先得名，然后才能被完全理解。理解神经冲动传递方式的突破就是如此，突破始于对两个神经元相互作用的部位的命名。1897年，谢灵顿受邀为剑桥大学生理学教授迈克尔·福斯特编辑的新版《生理学手册》撰稿。在谢灵顿撰写的那一章中，他引入了一个术语来描述两个细胞如何相互作用：
1700675172
1700675173
就我们目前的认识而言，树状分支的“枝头”和与它作用的树突或胞体的物质并不是连续的，两者只是有所接触。一个神经细胞与另一个神经细胞之间这种特殊的连接，可以被称为“突触”（synapsis）[38] 。
1700675174
1700675175
“突触”这个词源自希腊语，意思是“扣住”，因为传入细胞轴突的树形结构就像扣在下一个细胞的树突上一样。在不到两年的时间里，由于某些未知的原因，突触的英语单词从“synapsis”变成了“synapse”，这个术语从此一直沿用至今。
1700675176
1700675177
谢灵顿不仅命名了这个神经解剖学空间，他还推测突触并不只是两个细胞之间的一个被动的间隙。他认为在从一个细胞传递到另一个细胞时，神经冲动的性质很可能发生了改变：
1700675178
1700675179
我们似乎可以假设，每个突触都提供了一个改变神经冲动特征的机会。当神经冲动通过一个轴突的树状分支传到另一个细胞的树突后，树突产生的新冲动会拥有与原先的冲动不同的特征。[39]
1700675180
1700675181
1906年，谢灵顿在其著作《神经系统的整合作用》中发展了他关于突触的观点，并试图将这种神经解剖学的新概念与已知的神经功能联系起来。对于谢灵顿来说，神经细胞“具有非凡的能力，可以在空间中传递（传导）它们内部所产生的兴奋状态（神经冲动）”，这些神经冲动随后会被神经系统整合起来，引发适当的行为。[40] 这种整合“通过由静止的活细胞组成的一根根线路发送理化扰动波，在到达远处的器官后，这些波会扮演释放力（releasing force）的角色”。科学界当时对这种扰动的确切性质还不清楚，但谢灵顿混合运用理化和电报隐喻来描述神经系统的功能，标志着沿袭自19世纪的观点开始发生改变了。此外，通过将突触描述为“分离表面”（surface of separation），谢灵顿把关注点放在了当时仍无人关注的微观位置——轴突和树突的表面上，暗示这些表面的行为或结构也许能揭示当一个神经冲动通过它们时发生了什么。
1700675182
1700675183
谢灵顿的出发点是神经元的物理结构，他将其描述为“一个传导单元，在这个单元中，许多分支（树突）向一根伸出的茎（轴突）聚拢、相遇、融合，神经冲动通过这个树形结构流动，就像树中的水一样，从根系流向茎”。[41] 这听起来像是一个没有什么新意的隐喻，因为从水流的角度来思考神经活动与从电流的角度思考神经活动并没有什么不同，两者都把神经活动视作流体。但是当涉及突触时，水的类比就失效了，因为必须要有东西穿过这个间隙。当谢灵顿审视相关的可用数据，分析突触两侧的神经冲动的变化时，他意识到这里还存在一种漏斗效应，这意味着突触的工作方式类似一排倒下的多米诺骨牌：
1700675184
1700675185
在每一个突触，传递中释放出的少量能量会扮演释放力的角色，作用于新储存的能量上。这种释放并不是像在神经纤维中那样，纯粹和简单地沿着一根同质化的导电材料进行的，而是跨越了一个障碍，不论这个障碍是小还是大，总归在某种程度上是一个障碍。
1700675186
1700675187
这个障碍就是突触，它在神经元的“传导链”中产生了谢灵顿所说的“阻力”，其结果就是他所说的“反射环路的阀门特征”——反射的发生只能是单向的。
1700675188
1700675189
卡哈尔所说的神经元的动态极化是神经元的活动具有单向性的另一种说法。这种特征和突触表面活动的共同结果是，反射环路的行为就好像其中含有阀门一样（关于阀门和环路的思考也受到了供水系统的启发）。谢灵顿认为，分离表面具有阀门样行为的原因“可能是突触膜在一个方向上比在另一个方向上更具通透性”——研究者不久前刚发现，盐在穿过肠壁时就表现出了类似的特点。[42] 对突触功能的解释显然有赖于对两个相关细胞的细胞膜的结构的认识。突触中究竟发生了什么？这个问题还需要几十年的艰苦探究才能弄清楚。在20世纪最漫长的一场科学论战中，两种相互矛盾的观点的支持者一直彼此攻伐，这场论战被称为“汤与火花之战”（war of the soups and the sparks）。[43]
1700675190
1700675191
1700675192
1700675193
1700675194
1877年，杜布瓦-雷蒙试图搞清楚神经的兴奋是如何引起肌肉收缩的。他提出了两种解释，这两种解释主导了随后70多年中人们对这个问题的思考：
1700675195
1700675196
在我看来，在已知能够传递兴奋的自然过程中，只有两种值得讨论：要么在收缩物质的边界存在一种刺激性物质，比如一层薄薄的氨、乳酸或者其他强烈的刺激性物质；要么收缩现象在本质上是电引起的。[44]
1700675197
1700675198
换句话说，要么是神经细胞通过某种化学过程影响肌肉，导致其收缩，要么是电流从神经跃入肌肉中，直接导致其收缩。
1700675199
1700675200
直到19世纪末，对神经功能的大多数研究都是以运动控制为基础的，包括被频繁研究的脊髓反射弧。但神经系统也有与运动控制无关的部分，比如控制心率的迷走神经，正是对迷走神经的研究为科学家提供了神经系统具有抑制作用的证据。这些部分组成了所谓的自主神经系统（autonomic nervous system）——这个词是由剑桥大学的生理学家约翰·兰利（John Langley）创造的，和谢灵顿一样，他也是迈克尔·福斯特的学生。[45]
1700675201
1700675202
20世纪初，兰利开始研究机体对内脏（包括唾液腺、胃、胰腺、肝脏、膀胱、肠道和阴茎）的自主控制。人们早就知道，箭毒等药物可以改变甚至完全阻断自主神经的功能。19世纪末，研究者意识到这些药物的靶点是神经—肌肉接头（neuro-muscular junction），也就是自主神经与肌肉形成联系的部位。兰利研究了肾上腺素的作用。肾上腺素是从肾脏上方的一个小腺体（肾上腺因此得名）中提取出来的一种物质，这个腺体被认为对维系生命具有关键的作用。兰利发现，肾上腺素的作用与自主神经系统激活产生的效果基本相同：抑制肠道和膀胱的活动、扩大瞳孔、升高血压。几年后，兰利的同事托马斯·艾略特（Thomas Elliott）总结道：“当冲动到达外周时，肾上腺素可能就是那种被释放出来的化学刺激。”[46] 但艾略特认为产生肾上腺素的并不是神经本身，他认为肾上腺素是神经冲动通过刺激肾上腺，由肾上腺分泌的。然而在1921年，一向坚持事实、不轻信猜测的兰利驳斥了肾上腺素可能在突触中起作用的观点，“因为这将需要神经末梢分泌一种物质”，而这是不可能的。[47]
1700675203
1700675204
意识到神经确实能分泌物质的关键人物之一，是另一位英国科学家亨利·戴尔（Henry Dale）。在第一次世界大战之前的几年里，戴尔研究了麦角真菌提取物的生理学效应，包括一些能重现肾上腺素和自主神经刺激效应的提取物。他最早的发现之一是尼古丁等物质可以改变自主神经系统的神经功能。戴尔发现，麦角真菌提取物中的乙酰胆碱（acetylcholine）能使心脏基本上停止跳动（在戴尔第一次给猫注射乙酰胆碱后，他认为猫已经被这种物质杀死了，因为他完全检测不到猫的心跳了）。[48] 在刚开始的时候，戴尔确信乙酰胆碱仅仅是一种强效药物，因为他找不到证据表明体内存在乙酰胆碱或者类似的物质。[49] 尽管他慢慢积累了一些证据，证明有多种化合物可以模拟或阻断自主神经系统的活动，但由于缺乏相应的证据，戴尔始终没有提出这些物质也在体内存在的观点。
1700675205
1700675206
突破发生于1920年。这一年，德国生理学家奥托·勒维（Otto Loewi）做了一个梦，这个梦和他多年前与艾略特讨论过的一个想法有关：神经在刺激肌肉时可能会释放出某些化学物质。40年后，勒维是这样记述这个梦的：
1700675207
1700675208
那年复活节的前一天晚上，我在半夜里醒了过来。我打开灯，在一张小薄纸条上草草记下了几句话，然后又睡着了。早上6点，我突然想到那天晚上我写下了一些很重要的东西，但这时我已经完全辨认不出那些潦草的字迹了。第二天凌晨3点，那个念头又出现了。这是一个实验设计，目的是确定我17年前提出的化学传递假说是否正确。我立即起身前往实验室，按照那个夜间想出的设计，在青蛙心脏上做了一个简单的实验。[50]
1700675209
1700675210
勒维每次重述这个故事的时候，具体的细节都会有些变化，但无论这个故事的真实情况如何，这个实验都是成功的。[51] 至少他是这么说的。在这个实验中，勒维研究了两颗青蛙的心脏。他首先通过刺激其中一颗心脏的迷走神经来抑制这颗心脏的跳动，然后将之前灌注这颗心脏的盐溶液灌注入另一颗心脏中。他发现第二颗心脏的跳动也会减慢。尽管勒维很有信心地得出结论，认为这表明迷走神经能够分泌一种可以抑制心脏跳动的物质，但大多数科学家并不接受他的结果。他们要么无法复制勒维的发现，要么就是不相信他的论文中相当模糊的图片。[52] 尽管勒维收集了大量的证据（在短短几年的时间里，他发表了17篇有关这个问题的论文），但许多研究人员仍然持怀疑态度，因为他们无法重复出勒维的研究结果。我们现在知道，勒维的结果难于重复的部分原因在于他实在太幸运了：他实际上研究的物质——乙酰胆碱非常不稳定，很容易降解，但在处于冬眠的假死状态的青蛙中，乙酰胆碱降解的可能性就相对较小，而勒维第一次做这个实验使用的正是处于假死状态的青蛙。[53] 那些试图在夏季重复勒维研究结果的研究人员的实验通常都以失败告终。
1700675211
1700675212
到20世纪30年代初，实验设备得到了改进，人们对乙酰胆碱被自然界中的酶分解的过程也有了更深入的了解，这使人们越来越相信勒维发现的效应是真实的。但令人惊讶的是，即使是勒维自己也不认为乙酰胆碱是某个更普遍现象的一个范例——和大多数科学家一样，他认为与运动相关的突触不是通过化学传递来运作的。
1700675213
1700675214
大约在同一时期，亨利·戴尔开始将自己的注意力转向突触中究竟在发生什么这个问题上。纳粹上台后不久，犹太裔科学家威廉·费尔德伯格（Wilhelm Feldberg）逃离德国，来到了戴尔的实验室，这使戴尔的工作很快有了进展。费尔德伯格带来了一种能检测微量乙酰胆碱的复杂技术。这种技术能将神经提取物传送给从某种水蛭中分离出的特定肌肉，肌肉上连接了一个仪表，可以读出肌肉收缩的程度。虽然这个实验很复杂，但在到达戴尔实验室的3年内，费尔德伯格发表了25篇论文，证明很多种自主神经都能分泌乙酰胆碱，其中包括迷走神经的所有分支。尽管费尔德伯格和戴尔不能证明乙酰胆碱的功能，但这项技术足够精确，可以证明这种物质被分泌到了自主神经系统的突触中，而且也存在于参与随意运动的神经突触中。1936年，诺贝尔委员会一反常态，迅速将诺贝尔奖授予了勒维和戴尔，两人的获奖原因是揭示了所谓的“神经体液传递”（neurohumoral transmission）。勒维在梦中想到了这个实验，戴尔证明了这个理论的正确性，但对戴尔的工作有巨大贡献的费尔德伯格却没有获奖。
1700675215
1700675216
自从杜布瓦-雷蒙在60年前首次提出神经兴奋的两种可能解释以来，主张电突触传递（火花）的人和主张化学效应（汤）的人之间的分歧就一直没有停止过。现在，争论变得更加激烈了。在支持突触活动的“火花论”的人中，最坚定的或许是固执己见的澳大利亚生理学家、谢灵顿的学生“杰克”约翰·埃克尔斯（John ‘Jack’ Eccles）。埃克尔斯坚信，中枢神经系统中的所有突触都是电突触，但面对戴尔等人提出的越来越多的证据，他逐渐接受了突触处的化学作用也可能在神经传递中起着一些次要作用的观点。
1700675217
1700675218
“火花论”派的这次让步并没有平息事态，有关这个问题的争论有时会完全失控。1935年，未来的诺贝尔奖得主伯纳德·卡茨（Bernard Katz）首次在剑桥参加生理学学会的会议。他惊讶地发现埃克尔斯和戴尔之间“看起来就快大打出手了”（埃克尔斯本人将其描述为“一次非常紧张的相遇”）。[54] 但这些争论并没有引发长期的敌意：虽然埃克尔斯和戴尔的争论在外人看来无比激烈，但两人的关系其实很好。