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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：
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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]
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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。
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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]
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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]
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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。
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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：
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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]
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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。
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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。
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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。
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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。
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“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。
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埃克尔斯一直坚决反对“汤理论”，直到20世纪50年代初，来自他自己实验室的数据终于使他确信自己错了。1947年，他提出了一个理论，试图从电学的角度解释抑制现象：突触附近一种现在被称为“闰绍细胞”（Renshaw cell）的小细胞可以改变突触后神经元的极性，从而有效地对抗电信号的传递。（和勒维一样，埃克尔斯的这个想法也是在梦中产生的。[55] ）但不到4年后，埃克尔斯的梦就被一个残酷的事实击碎了：闰绍细胞确实会影响突触后的细胞，但方式与埃克尔斯预测的正相反，因此埃克尔斯的理论无法解释抑制现象。埃克尔斯和他的同事在1952年的实验报告中写道：“因此，我们可以得出结论，抑制性突触的作用是由一种特定的递质物质介导的，这种物质从抑制性突触的球状凸起中释放出来。”他们还更进了一步，接受了“兴奋性突触活动也可能是由化学递质介导的”这一观点。[56]
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至此，“汤理论”将会赢得这场论战的胜利已经确定无疑了，学界也慢慢接受了被称为“神经递质”（neurotransmitter）的物质在神经功能中的作用。但这些精巧并将彻底改变神经科学理念的研究对理解脑是如何工作的这一问题暂时没有产生太多的影响。原因很简单，几乎所有这些研究都聚焦在自主神经系统和内脏肌肉相对缓慢的运动上。许多科学家相信，对于中枢神经系统所支配的更快的运动，相应突触中不应该存在任何化学刺激——很少有人准备考虑神经递质也可能在脑中发挥作用。尽管在20世纪20年代中期，谢灵顿和其他一些研究者认为，脑中的抑制作用可能与自主神经系统中的抑制作用有相似的化学基础，但要验证这一假设在技术上颇具挑战性：这需要将神经从脑中分离出来，并消除对神经活动可能产生影响的其他因素。几十年来，这些困难都是无法克服的。
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突触传递的发现丰富了我们对神经功能的理解，但与此同时也凸显了一个重大的难题：应该用什么样的新隐喻来理解脑的这种工作机制？19世纪，在神经电活动被发现的同时，电报和电话也出现了，这帮助人们构想出了脑功能的概念。但到了20世纪30年代，很明显，无论这种类比多么诱人，它在最基本的层面上都是不准确的。神经系统可能是由无数个转换开关组成的，但这些开关的工作方式与电子设备中的开关并不相同。生物学领域的发现正在逐渐否定这种占主导地位的技术隐喻，不管基思教授1915年在皇家学会的演讲对他的年轻听众来说多么有说服力，脑并不是一个电话交换机。要理解脑的功能以及脑如何实现这些功能，需要其他的隐喻。
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[1] Shepherd, G. (2016), Foundations of the Neuron Doctrine, 25th Anniversary Edition (Oxford: Oxford University Press).
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[2] 雷马克是犹太人，由于德国当时反犹性质的法律，他无法在德国的大学成为教授。他还注意到，一些神经细胞被一种白色物质覆盖（另一些神经细胞则没有），现在这种物质被称为“髓鞘”。这种差异使脑可以被分为灰质和白质，灰质包含了大部分的神经元的胞体，是大脑皮层的主要组成部分。
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[3] Pannese, E. (1999), Journal of the History of the Neurosciences 8: 132–40; Shepherd, G. (1999), Journal of the History of the Neurosciences 8: 209–14.
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[4] 此处的“海马”指的是脑中的一个结构，因为其外形与海洋中的生物海马相似而得名。——译者注
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[5] 本条引述和后面几条引述来自Golgi, C. (1883), The Alienist and Neurologist 4:236–269, 383–416, pp. 396, 394, 401。
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[6] Cajal, S. (1937), Memoirs of the American Philosophical Society 8: 1–638, p. 305.
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[7] Ibid., p. 321.
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[8] Cajal, S. (1909), Histologie du système nerveux de l’homme et des vertébrés, vol. 1 (Paris: Maloine), p. 29.