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大脑传 [:1700672987]
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大脑传 第7章 神经元：19至20世纪
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19世纪最伟大的科学成就之一是细胞理论：人们意识到所有生物都由细胞组成，细胞只能源自其他细胞，因此生命不会自发产生。至此，生物学找到了它的“基本粒子”。致使这一理论被快速接受的证据之一，来自捷克解剖学家扬·浦肯野（Jan Purkinje）在19世纪30年代开展的研究。浦肯野使用一台当时最新的显微镜，观察了人类小脑的薄层切片。[1] 他和他的学生加布里埃尔·瓦伦丁发现，小脑是由诸多小球组成的，这些小球是布满小斑点的花瓶状结构，它们聚集成一层，下方是一系列长长的纤维。1838年，约翰内斯·弥勒的学生罗伯特·雷马克（Robert Remak）发现，每一根纤维都与其中一个小球相连。脑中存在着细胞。
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这些小球和纤维是神经细胞的一部分，脑和身体的其他部分一样，也是由细胞组成的，这种认识在十多年后被瑞士解剖学家阿尔伯特·冯·科立克（Albert von Kölliker）流传甚广的著作《人类组织学手册》推广开来（雷马克的贡献没有被承认[2] ）。神经细胞似乎由三部分组成，分别是一组被称为“原生质延伸”（protoplasmic expansion）的分支结构，一个细胞体或者说“胞体”（soma），以及一根长管形的纤维或者说“轴索”（axis cylinder）。
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虽然有了这些进展，但对于神经细胞是如何组织到一起的这个问题，还是出现了重大的争议。在身体的其他部位，细胞都是离散的单位，每个细胞都以细胞膜为边界。但冯·科立克绘制的精美图像显示，浦肯野的小球和纤维构成了一个单一的有机网络：随着纤维的分支越来越精细，纤维似乎融合到了一起，构成了一个单一的网状结构。此外，对没有脑的水母的神经（最早被研究的完整的神经系统）的研究表明，这些神经也是组织在一种网中的。冯·科立克不同意这种观点，他坚信每个神经细胞都是一个独立的结构，但他也认识到自己没有直接的证据证明网状理论是错误的。在当时的技术条件下，根本不可能确定不同细胞的分支是否是分离的，冯·科立克对是否有可能解决这个问题也持怀疑态度。
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1873年，意大利解剖学家卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）的实验室里发生了一场小事故，这为上述问题带来了意想不到的答案。高尔基不小心把一些硝酸银撒在了之前用重铬酸钾硬化过的组织切片上。令他烦恼的是，这两种化学物质的反应使组织变黑了。显然，这些切片被毁掉了。但当高尔基在显微镜下观察这些切片时，他发现只有很小一部分神经细胞被染上色了，这些细胞最细微的细节现在也能看清，在光亮的背景下显现出黑色的轮廓。但少比多好，仅有极少的细胞被染色意味着研究者可以精确地描述单个神经细胞的结构。如果所有的细胞都被染色，显微镜下将是一团难于描述的深色的混乱结构。[3]
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这项技术难度很高，最初被称为黑色反应，但很快被简单地称为“高尔基法”或“高尔基染色”。在接下来的几年里，高尔基使用这一技术探索了脊椎动物脑的各个部分，如小脑、嗅球（olfactory bulb）、海马（hippocampus）[4] 和脊髓。高尔基在显微镜下看到的世界的复杂程度令人难以想象，后来的研究表明，使用此前的方法发现的神经分支结构仅仅是一个开始。使用高尔基染色，可以看到分支会继续分支，分支的分支还会有分支。
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虽然这种新技术提供了更高的分辨率，但仍然无法看到两个相邻的神经细胞间相互缠绕的细微分支是否真正彼此独立。高尔基确信这些分支确实是分开的，但他坚持神经系统是一个网状结构的观点，认为神经细胞在轴索的水平上是融合到一起的。尽管高尔基认识到，脑细胞之间可能存在与其功能差异相对应的化学上或者其他形式的差异，但他确信神经细胞的任何活动都会在这个假想出的网络中共享。[5] 在高尔基看来，神经功能“显然不是细胞个体的孤立活动，而是大量群组的同时活动”。他对这个理论非常自信，以至于在1883年对脑的工作机制下了一个明确的结论，并拒绝接受任何脑功能定位化的观点。尽管他赞赏弗里奇和希齐格“一度举世闻名”的成果，并承认他无法驳倒“不同沟回承担不同功能的生理学学说”，但他还是总结道：
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所谓大脑功能定位化的概念，严格来讲（也就是某些特定的功能完全由脑的某一个区域完成），无法得到任何形式的细致的解剖学研究结果的支持。
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高尔基显然是那种反对功能定位化的人。
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高尔基染色法掌握起来很困难，这种技术在被发明几年后才被广泛使用。当其他研究者最终发表他们的观察结果时，他们在一个关键的问题上与高尔基的观点不一致。19世纪80年代中期，莱比锡大学的威廉·希斯（Wilhelm His）报告说，他没有发现神经细胞之间的融合，因此得出结论，认为神经细胞和其他细胞一样，都是独立的结构。他还创造了一个新术语来描述神经细胞中复杂得像树一样的那一部分：借用希腊语中“树”（dendron）这个单词，他把这种结构称为“树突”（dendrite）。与此同时，瑞士科学家奥古斯特·佛瑞尔（August Forel）做了一个实验。他切断了动物体内通向舌头的神经纤维，并研究了脑中的哪些组织在几天后会死亡（因为这些组织与为其提供营养的细胞的主要部分失去了联系）。令佛瑞尔惊讶的是，脑中只有一小块区域受到了影响，这表明神经细胞间并没有相互连通。佛瑞尔观察到的神经退化现象发生的区域不仅非常具体而且范围也很有限，这表明每个细胞体及其树突形成了一个单一的单位。
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对神经系统的网状理论的最后一击来自圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）的工作。卡哈尔是一位西班牙神经解剖学家，他对科学的贡献与维萨里不相上下。众所周知，卡哈尔不仅是一位技艺娴熟的解剖学家，还是一位才华横溢的画家和摄影师，甚至发明了他自己的彩色照片制作方法。卡哈尔有一幅著名的自拍照，描绘了1885年在实验室里的自己。他穿着一件脏兮兮的工作服，头戴一顶时髦的帽子，坐在一张放着3台显微镜的桌子旁边，头倚在自己的手上。在他身后的架子上摆满了盛有化学物质的瓶瓶罐罐——它们是解开脑中隐藏的结构和功能的钥匙。正如他后来所说的那样：“我们能看到，对脑结构的确切了解对于建立理性心理学至关重要。我们认为，了解脑，就等于弄清思想和意志的实质过程。”[6]
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卡哈尔的世界在1888年被改变了，他把这一年称为“我最伟大的一年，我的幸运之年”。[7] 一位来自马德里的同事给他看了一些用高尔基法染色的神经细胞。卡哈尔对他所见结果的描述生动地展示了这种技术的力量：
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多么意想不到的景象！在非常清楚的黄色背景下，我看见了稀疏分布的黑色细丝，有些细长而光滑，有些厚实而多棘，还有那黑色的结构，有三角形的、星形的还有纺锤形的。这一幕就像是在透明的日本纸上画出的中国水墨画。当组织被胭脂红或苏木精染色时，会产生纠缠的灌木丛般的图像，难以分辨清楚。熟悉这些染色方法的人都知道，想要从这些图像中解读出细微的结构信息注定会徒劳无功，这非常令人沮丧。而在这里，一切都显得简单和清晰。你甚至都不需要去解读，你唯一需要做的就是去看……太让人惊叹了，我简直无法将目光从显微镜上移开。[8]
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这样的染色效果本就已经非常惊艳了，但卡哈尔很快还找到了改善高尔基染色的方法。通过研究鸟类、鱼类等动物不成熟的脑，并对一些技术进行摸索和微调（如把切片切得更厚以及二次染色），卡哈尔使这种方法变得更加可靠，并且能显示更多信息。他绘制的图解以前所未有的丰富细节展示了脑的结构，其中一些至今仍无法超越。这些图解清晰明了，富有视觉冲击力和美感，因此深受现代神经科学家的喜爱。但这些图解也是人为构建的。卡哈尔愉快地承认，每一幅图都是对许多不同脑显微切片观察的结果：在检视了这些切片后，他煞费苦心地将这些结果归纳成了一幅信息丰富的图像。这些图像的细节很准确，它们在外观上看起来也很自然，但它们仍然是人为构建的。
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卡哈尔的观察表明，脑和外周的感觉器官（如视网膜）有着清晰但神秘的组织形式。细胞的树突朝向外部的环境，而轴索则指向脑的中心。使用他改良后的高尔基染色法，卡哈尔发现神经细胞有许多不同的形状，而且形状相似的细胞会聚在一起分层排列。这些结果可能得出的一个诱人结论是，这种组织形式与脑的工作方式存在某种联系，不过卡哈尔无法想象出这是一种怎样的联系。但对于神经细胞是否连接成网这个棘手的问题，他可以用他敏锐而精确的观察来解决。
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首先，卡哈尔发现轴索并非像高尔基认为的那样是相互融合的。他随后还提出树突也不是相互融合的，而且也不提供营养，而是承担着一种至关重要的功能。卡哈尔的解释使用了当时最复杂的技术性隐喻——电报。卡哈尔认为，小脑中的浦肯野细胞与另一种类型的细胞——颗粒细胞（granule cell）存在联系，颗粒细胞“有点像支撑导线的电报线杆”，而这些细胞的树突的作用是与附近的细胞建立“传输接触点”。
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卡哈尔的电报隐喻与法国解剖学家路易-安托万·朗维埃（Louis-Antoine Ranvier）在1878年提出的一个类比恰巧相似。朗维埃猜测，包裹脊椎动物运动神经和感觉神经的髓鞘的作用是作为一种绝缘体，这种构建方式类似于海底的电报电缆。[9] 卡哈尔的研究发现，嗅球的结构可以作为一个例子来表明树突如何接收“从神经纤维传来的电流”：鼻子里的感觉细胞在脑中汇聚，形成一系列被称为“嗅小球”（glomerulus）的圆形实体，而另一类细胞的树突则与这些嗅小球形成连接，其轴索伸入脑的深处。卡哈尔指出，在视网膜中也可以发现类似的精确解剖结构。[10]
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1889年10月，卡哈尔出席了德国解剖学会的柏林会议。他带去了一些他最好的幻灯片，向参会代表展示了他惊人的研究成果。他后来回忆道：
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我开始用蹩脚的法语向好奇的人们解释我制备的标本中包含着什么。一些组织学家围在我周围，但只有少数几位……毫无疑问，他们在等着看我的笑话。然而，当无可指摘、极其清晰的图像出现在他们的眼前时……他们眉宇间的傲慢消失了。最后，参会者对这位谦逊的西班牙解剖学家的偏见消失了，转而对他报以热烈而真诚的祝贺。[11]
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显微镜下的这些细胞被染成了深红色或者黑色，在黄色背景的映衬下显得格外醒目，许多参会者都被这一幕震撼到了，神经解剖学的老前辈冯·科立克也是其中之一。冯·科立克很快复证了卡哈尔的发现，并让这位西班牙人的研究成果成为国际科学界的关注焦点。卡哈尔后来回忆道：“由于科立克在学界的权威地位，我的思想得以迅速传播，并得到科学界的赏识。”[12]
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1891年，德国解剖学家威廉·冯·瓦尔德耶（Wilhelm von Waldeyer）总结了卡哈尔、冯·科立克和其他一些人的研究结果。瓦尔德耶在报告中指出，一位名叫弗里乔夫·南森（Fridtjof Nansen）的挪威学生的研究表明，神经细胞之间没有发生融合。[13] （南森后来成了著名的极地探险家。）基于所有这些证据，冯·瓦尔德耶认为神经细胞是独立的个体，他将其称为“神经元”（neuron，有时写成neurone，源自希腊语“纤维”一词）。[14][15] 有关神经细胞的另一个重要的现代解剖学术语出现于1896年，此时已经80岁高龄的冯·科立克提出了“轴突”（axon）的概念，用来指代轴索。[16] 一切都齐备了，这种新的观点很快被科学界所接受，被称为“神经元学说”或者“神经元理论”，并成为未来所有神经系统研究的理论基础。[17]
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然而，高尔基继续拒绝承认神经元是独立的细胞。两种观点的争论一直持续到1906年，高尔基和卡哈尔在这一年共同获得了诺贝尔奖（两人在斯德哥尔摩的颁奖典礼上首次见面）。高尔基的获奖感言显得很不情愿，而且有些古怪，他完全反对神经元理论，并强调对他来说，神经系统，尤其是脑，有一个“统一的活动”。他确信，脑的不同区域的组织结构不能揭示其功能，并指出：“特定的功能与中枢组织结构的特征无关，而是与注定要接收和传输神经冲动的外周器官的特性有关。”[18]
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就像弥勒半个世纪前提出的“特定神经能量定律”一样，高尔基认为不同的感觉器官会产生不同类型的感觉活动。尽管高尔基对科学做出了巨大的贡献，但他的观点明显已经落后于时代了。
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