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大脑传 [:1700672983]
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大脑传 第3章 电：18世纪至19世纪
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1815年4月初，印度尼西亚的坦博拉火山爆发，爆发的威力令人震惊。100立方千米的岩石被磨碎并抛向高空，浑浊的气体和火山灰在大气中持续循环了几个月，整个地球的气候都受到了严重的影响。接下来的一年被称为“没有夏天的一年”。在这一年，农作物歉收，疾病蔓延，而在瑞士的日内瓦湖湖畔，4名英国游客发现自己被“潮湿、不舒适的夏天以及连绵不断的阴雨”困在屋子里。[1] 为了打发时间，他们决定每人写一个鬼故事。其中一名游客是18岁的玛丽·雪莱，她写的故事的标题是《弗兰肯斯坦》。正如雪莱后来解释的那样，她关于弗兰肯斯坦博士组装人体器官并使其复活的想法源于几年前进行的一些实验。当时，刚被处死的罪犯的身体受到电流刺激，这使他们的肌肉发生抽搐，就好像他们还活着一样。[2]
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人们对电的兴趣贯穿了整个18世纪。到18世纪50年代时，在公开场合展示电现象在欧洲已经司空见惯。[3] 这些展示活动由“电工”完成，他们使用羊毛摩擦一块玻璃或者琥珀，从而产生静电。还有一种更便捷的方式：利用一台定制的机器，使手摇飞轮带着玻璃物体旋转并摩擦毛毡，以此产生电荷。结果有时显得不可思议。比如，一个玻璃球里能产生圣艾尔摩之火（St Elmo’s Fire）[4] 。而在一个被称为“吊男孩”的把戏里，一个倒霉的少年被吊在天花板上，电工用一根玻璃管摩擦少年的身体从而产生静电，羽毛和金属薄片等轻盈的物体就会神奇地在空中飞舞，最终黏附在少年的身上。
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关键的时刻出现在1746年，当时莱顿大学的彼得·范·穆森布罗克（Pieter van Musschenbroek）发明了一种捕获和储存电的方法。[5] 穆森布罗克发现，当用一根丝线把起电机和一个玻璃瓶连到一起时，玻璃瓶就能积累电荷。这种瓶最早是注满水的，但人们很快就发现，将空瓶内部和外部贴上金属箔效果更好。如果一个人同时触摸连接瓶外和瓶内的线，就会感受到强烈的电击，因为瓶在这一瞬间会放电（这种瓶可以储存超过30000伏特的电）。如果某个勇敢的人用自己连接起了这个装置的两个部分，而另一个人把手搭在这名勇士的身上，那他们两人都会被电击。这种串联可以扩展到不可思议的长度：法国哲学家让·诺莱曾说服200名倒霉的僧侣，让他们手拉手连在一起。这条人链超过400米，当电流流过这些僧侣时，他们都不由自主地蹦了起来，这让旁观者看得很开心。[6]
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人们也用电来治疗各种各样的瘫痪。卫理公会的创始人约翰·卫斯理和未来法国大革命的领袖让—保罗·马拉都是带着起电设备和所谓的“莱顿瓶”在英国巡回行医的人。这种疗法非常成功，以至于从18世纪80年代开始，欧洲许多医院都配备了起电机和莱顿瓶。[7]
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人们很快认识到，电可以对任何动物的身体产生影响，即使动物是死的。1753年，都灵的吉亚姆巴蒂斯塔·贝卡利亚（Giambatista Beccaria）教授声称，如果用电火花刺激，“强壮的公鸡的大腿肌肉”会剧烈收缩。[8] 在博洛尼亚，马可·卡尔达尼（Marc Caldani）切除了一只青蛙的两条后腿，然后用一根带电的棒接触蛙腿。他写道：“我们总是看到下肢的肌肉在运动，这完全是通过电的力量实现的。”[9] 约瑟夫·普里斯特利也研究了电对青蛙的影响，他发现用莱顿瓶电击死的青蛙会使青蛙的肺膨胀。普里斯特利对他为什么没有做更多的实验来研究这个问题给出了解释，他的解释表明这些研究人员并不都是铁石心肠的野蛮人：“我本想用蟾蜍、蛇、鱼等各种少血动物来进行电击实验，但我没有这个机会。此外，购买这些动物来开展实验会牺牲我们的人性，这会使哲学发现代价高昂。”[10]
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1749年，大卫·哈特利将人们对电的日益着迷与牛顿关于神经功能的粗略想法联系起来，指出“电也以各种方式与振动学说存在联系”。[11] 6年后，瑞士思想家查尔斯·邦纳（Charles Bonnet）更进一步，提出“动物精气是否与光或者电物质具有类似属性”的疑问。邦纳可能是第一个使用“传递”这个词的人，而这个词现在对我们理解神经是如何工作的起到了至关重要的作用。他问道：“神经会不会只是专门用来传递这种速度奇快的物质的丝线？”[12] 1760年，邦纳再次思考了电和神经功能之间的联系这一问题，他认为这些神经内含有“一种液体，其精细度和移动能力接近于光”。邦纳还小心翼翼地声明，他没有支持这个想法的证据：
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我们不知道动物精气的本质是什么，它们超出了我们的感官和仪器的探究范围，甚至比过滤或者产生它们的血管更难理解。只有通过推理，我们才会接受它们的存在，才会猜测这些精气和电流之间存在某种相似之处。这种相似性主要体现在这种液体的一些奇异属性上，尤其是当它沿着一条或多条丝线移动或者穿过一个水体（即使这个水体在移动）时，都能够快速而自由地移动这一点。[13]
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从18世纪50年代末开始，世界上历史最悠久的大学的所在地——博洛尼亚成了一个舞台，那里上演了关于电在神经功能中所起作用的一系列激烈辩论。马可·卡尔达尼和菲利斯·丰塔纳（Felice Fontana）支持哈勒的观点，认为应激性是问题的根源所在。其他人则为有关动物精气的传统观念辩护，但他们顺应邦纳的观点，认为动物精气是一种电。[14] 争论双方无法达成一致，这表明对这个问题的认识已经陷入僵局，需要新的证据才能取得进展。
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几千年来，人们知道有些鱼能产生一种奇怪的电击。在欧洲，人们知道有一种小鳐鱼能使人产生麻木感，这种鱼被称为“电鱼”或者“电鳐”（“电鳐”来自拉丁语torpere，意思是“变得僵硬”或者“瘫痪”）。古埃及人绘制过具有类似能力的尼罗河鲇鱼的图像，而亚马孙盆地的各个民族也知道电鳗有能使动物瘫痪的能力。[15] 然而对于这些动物产生的剧烈电击的确切性质，当时的人们仍然很不清楚。那些研究过这种现象的人（比如17世纪的弗朗西斯科·雷迪和18世纪的列奥米尔）得出的结论是，这种电击是由鱼的快速运动产生的。
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1757年，法国探险家米歇尔·阿当松发现，塞内加尔一种淡水鲇鱼电击产生的效果与莱顿瓶放电产生的效果相同。[16] 10年后，博物学家爱德华·班克罗夫特指出，圭亚那的鳗鱼（实际上并不是一种鳗鱼）产生的电击可以通过一根钓鱼线传到12个彼此接触的人身上，“就像一台起电机产生的电一样”。博物学家约翰·沃尔什的相关研究为进一步研究电鳐提供了灵感，物理学家亨利·卡文迪许[17] 和解剖学家约翰·亨特也加入到了研究者的行列。后续的研究表明，负责产生电击的器官位于电鳐体表两侧上方的区域，这种器官能像一串莱顿瓶一样放电。
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1775年，沃尔什终于从电鳐产生的电荷中捕获到了电火花，这证明这种鱼可以放电。认为动物精气可能是电的观点遇到了一个很大的难题：根据这种观点，动物精气显然仅存在于神经中，然而电能够轻松流遍全身。电鳐的例子说明电可以被存储在一个特定的器官中，这提示神经可能也有类似的功能。[18] 基于这些研究结果，法国物理学家皮埃尔·贝托龙得出结论：所有动物都有“自己的电”，这种电是由呼吸、血液循环等运动产生的摩擦生成的，其原理和人造的起电机的工作原理相同。[19] 贝托龙声称，这种电是所有身体活动的基础，能通过神经刺激肌肉。
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几年后，博洛尼亚的医生路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）开始研究动物对莱顿瓶释放的电有何反应。他的这些研究是对30年前普里斯特利等人研究工作的跟进，主要手段是用电刺激离体的青蛙腿并观察其活动。1791年，伽伐尼偶然发现，在雷雨的日子里，即使是带电的空气也能使蛙腿的肌肉收缩，这表明神经对电非常敏感。[20] 伽伐尼最具挑战性的发现是，在没有任何外部电荷源的情况下，他也观察到了肌肉收缩现象。早在一个多世纪前，斯瓦默丹就曾发现，如果他用手术刀触碰青蛙的神经，附着的肌肉就会收缩，他认为这是一种应激性。伽伐尼也发现了类似的效应，但他注意到，如果把青蛙的肌肉放在一个铁板上，然后用另一种金属（如银）触碰与之相关的神经，肌肉也会收缩。伽伐尼的结论是，神经里有某种内生的电，这种电通过金属传导到肌肉里。[21] 这种效应不仅限于青蛙。1792年5月，伽伐尼在博洛尼亚的圣乌苏拉医院观摩了加斯帕·詹蒂利教授的双截肢手术。手术结束后，“当着詹蒂利教授、其他医生以及一些博学人士的面”，伽伐尼立即用这个可怜病人截掉的手臂和腿做了演示。仅仅通过用一片锡箔接触神经，用一片银接触肌肉并且把两片金属相连，伽伐尼就使手指动了起来，并使腿部的肌肉开始收缩。[22]
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伽伐尼声称，这些实验揭示了他所谓的“动物电”的存在，这种电“存在于动物身体的大部分组织，但在肌肉和神经中体现得最明显”，其在本质上与电鳐和其他类似鱼类中观察到的东西相同。[23] 伽伐尼认为，动物电是由大脑皮层产生的，然后从血液中分离出来，进入神经。在某种程度上，这种观点谈不上新颖，与几个世纪前有关动物精气产生的观点很相似。
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伽伐尼用青蛙腿所做的实验。图中位于左侧的人正在通过摩擦绵羊的羊毛产生静电
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至于神经里的电流是如何使肌肉收缩的，伽伐尼无法给出解释，不过他思考过是某种蒸气或者应激性导致了肌肉收缩的可能性。尽管理解这种最简单的身体动作是如何发生的都遇到了困难，伽伐尼还是准备探究最复杂的问题——心智与身体活动之间的联系：
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心智拥有不可思议的力量，它也许能将某种动力注入脑，这很容易理解。又或者，它能够随意让动力进入脑以外的神经。神经电流会受到这种动力的召唤，很快从相应的肌肉流向神经。[24]
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1793年，都灵医生尤西比奥·瓦利热情地支持并补充了伽伐尼的观点。他认为，旧的动物精气思想已经被新的动物电思想所取代。[25] 瓦利意识到，如果神经是在电的基础上工作的，那么就像电鳐的放电器官一样，神经一定有一些特殊的、与其他组织中发现的完全不同的结构。他写道：“脑、脊髓和神经有一种特定的结构，它们的电模式依赖的正是这种结构。”
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几个月后，爱丁堡医生理查德·福勒指出了一个问题：伽伐尼的动物电效应似乎只有当组织被两种不同的金属接触时才会发生。[26] 这一论点也是帕维亚大学的亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta）研究结果的核心。他指出，仅仅是两种不同金属的接触就会产生微弱的电流，从而导致青蛙的肌肉收缩。伏打对伽伐尼动物具有内生电的观点持完全否定的态度，认为肌肉收缩只是肌肉对两种金属接触产生的电刺激的反应。[27]
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伏打的批评刺激了伽伐尼，他随后和外甥乔瓦尼·阿尔蒂尼（Giovanni Aldini）开展了一系列的实验。这些实验表明，只需要让一根神经接触裸露的肌肉就能使肌肉收缩，不需要任何金属。这一结果在两年后被亚历山大·洪堡[28] 证实。[29] 伏打对此并不买账，他认为在这些情况下，是一些外部因素（比如组织外部的液体）引发了肌肉的收缩。[30] 伏打声称，实验条件下的躯体是完全被动的，只是对外界的电刺激做出反应，而这些电刺激是由他所谓的“异质物质”通过某种未知的方式相互作用产生的。
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伏打的这种观点偏离实际情况并不远。我们现在知道，伽伐尼最初的双金属实验得到那样的结果，是由于两种金属的电子亲和力有差异，因此产生了电流。而伽伐尼和洪堡的无金属实验则产生了所谓的“损伤电流”（injury current），这是因为与身体的其他部位相比，受损伤的组织带负电荷。[31] 伽伐尼认为动物的体内存在一种电，并且认为电流的根源是他所谓的“平衡紊乱”。这种观点在本质上是正确的，但更深层的解释是体内的电荷具有化学基础，因为神经是以电化学的方式传递信号的。不过这种深层的解释要在将近150年后才会慢慢变得明朗起来。
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并不是所有人都认为这些实验揭示了身体的活动是如何发生的。1801年，英国医生伊拉斯谟·达尔文（查尔斯·达尔文的祖父）写道：“伽伐尼和伏打等人最近发表了一些实验结果，我认为这些结果并不具有说服力，无法说明使肌纤维收缩的动物精气和电流之间存在什么相似之处。”[32] 伊拉斯谟·达尔文很快发现自己成了少数派，因为新实验似乎解决了这个问题。