《脑海探险——人类怎样认识自己》

 

 

 

神经细胞如何把信号传送到下一个神经细胞去？这个问题在神经科学史上面，有差不多长达半个多世纪的争论。关于突触究竟是电信号传输还是化学物质传输？有人把它形象化地说成“火花”和“汤”之争。好几个诺贝尔奖得主都参与了这个争论

 

 

在写了这些书以后，我自己倒是对自己提了一个问题。就讲我们现在关于脑和心智，有那么多的知识，知道了那么多的事情。那么这些知识究竟是怎么得来的？你怎么知道这些知识是对的，不是胡编的，为什么不可能有另外的解释呢？那么我想很多读者也会有类似的问题，这样的话我就开始比较系统地去读神经科学史。但神经科学史有的时候讲的比较简单，有的时候比较干巴巴。这个时候我就要去读一些神经科学家的传记，来讲他们当时是怎么发现的？和人家有什么争论？甚至于我去看有些诺贝尔得奖的，例如他在得奖会上面的讲话，往往是浓缩了他当时怎么会发现的那些故事。确实是这样，这些演讲。但是，因为我们要维持前沿性，我们必须要知道，这样一些故事现在是不是依然如此。我就要看最新的进展，至少这些说法到现在大家还是这样认为的，而不是已经是过眼烟云。另外，写的时候当然也因为考虑到不是每一个读者都像我一样，已经对脑科学基本知识都有了。要有些背景的知识，把这些东西融在一起写书。

 

这个时候我看到的还是坎德尔的一段话，我觉得说出了我要想说的话。他就说：“在想深入研究一个问题的时候，我发现通过了解以前的科学家对这个问题是怎么看的，从而逐渐得出一个比较全面的认识是非常有帮助的。我不但想知道哪些思想路线最后取得了成功，而且也想知道哪些思想路线最后失败了，并且是为什么失败的。”那么这一切不正好像是一部谜团重重的悬疑小说吗？你还能够想出比脑和心智之谜更难的谜题吗？而且这部小说到结尾还没有真相大白，还有许多问题有待于澄清，有许多地方还可能有不同的解释，现在还没有得到结论。我想这即使是柯南道尔和克里斯蒂都想不出这样的小说来。那么这样的话，出于这样一种考虑，我又写了两本书。一本就是《脑海探险―人类怎样认识自己》。这本书是2014年出版，得了华人科普作品奖的佳作奖。还有一本是今年刚出版的《三磅宇宙与神奇心智》，这本也是关于脑的总体上面的这样一个回答这个问题的书。这本更着重于写心智，所以这两本书也是姐妹篇。

 

由于这个故事太长，所以关于这本《脑海探险―人类怎样认识自己》里面，我仅仅举一个例子，否则的话实在太长了。这个例子就是关于介绍神经细胞如何把信号，传送到下一个神经细胞去的问题。这个问题在神经科学史上面，有一段差不多长达半个多世纪的争论。关于突触究竟是电信号传输还是化学物质传输？有人把它形象化地说成“火花”和“汤”。 “火花”就是电信号，电打火花。神经的化学物质都在液体里面，好像是一个“汤”。那么就叫“火花”和“汤”之争，好几个诺贝尔奖得主都参与了这个争论。所以这是一个非常翻来覆去，到最后才有一个比较一致的结论。那么我想这个很可以说明这个问题，我就来讲这个故事。

 

关于“火花”学说的开头是诺贝尔奖得主谢灵顿提出。正是谢灵顿他首先提出来神经细胞和神经细胞之间，两个中间有一个互相连接的地方。它两个神经细胞不是融合在一起的，而是隔开的，中间有一个空隙，这个空隙叫做突触间隙。严格说来，突触包括突触间隙、突触前膜和突触后膜三部分。那么由于这个神经的活动是很快的，所以他认为电的传输很快，所以他想一定是电，但是他并没有试验来证明这个事情。不过，因为谢灵顿是权威，所以当时大家觉得他的话比较可信吧，尽管没有试验，大家也都相信。

 

但是也并不是所有人都说权威讲的就绝对对。其中有一个英国的生理学家叫伊利奥特，他所在的实验室，他的老板叫他做一个工作。他的老板发现肾上腺素对于内脏器官的作用和刺激交感神经所起的作用很类似，所以他讲比如说刺激交感神经会使心跳加快、胃的肌肉的舒张。那么如果把肾上腺素涂在这些肌肉上面，这个效应也一样。因此，他对这方面又做了进一步的研究。后来他说：“当交感神经脉冲到达外周时候，在各种情况下面都有可能释放出化学刺激物，而这种刺激物就是肾上腺素。 ”但是他没有说清楚究竟是谁释放？是神经释放呢？还是神经刺激了肌肉，肌肉释放的？这地方没他说清楚。所以，他是隐隐约约的提出了“汤”学说的这种可能性，但是他没有清楚的提出这一点。

 

后来，另外一位诺贝尔奖得主，就是Dale。他发现刺激的交感和副交感作用，副交感神经都会释放出一种神经递质，就是一些胆碱。但是是不是就是它来引起后面的一连串的作用，神经和神经、神经和肌肉之间是不是就是靠神经释放出化学物质，化学物质再到后面，引起后面的神经的作用？他还没有很明确的说出这一点。那么解决这个问题的是另外一个诺贝尔奖得主，奥地利的一个神经科学家勒维。他曾经访问过伊利奥特的实验室，因此，也许伊利奥特的那个说法对他有启发。当时他也对这个事情很感兴趣，但是当时想不出怎么样来证明这个事情。于是乎一隔隔了20年，这个事情一直在他脑子里面盘旋，但是他没有任何行动，就是也不知道怎么做。

 

他是1902年的时候访问过伊利奥特，到了1921年，差不多过了20年。在复活节的星期六晚上，勒维工作了一天很辛苦，晚上看了一会小说就睡觉了。睡觉了以后做了个梦，他发现他梦里梦到了一个方法，可以来证实他的这个猜想，就是讲神经是释放那个化学物质，这个化学物质作用于后面的东西。那么他从梦里面醒来，匆匆忙忙他就拿了张纸，把梦见的东西写在这个纸上面。写好以后他往桌子上面一放，他就又睡着了。到第二天早上他醒来，醒来之后他记得昨天晚上做了一个很重要的梦，但是做什么梦？他记不得了。他记得梦里面他跳起来写了一些重要的事情在纸上面。他于是赶紧把这个纸拿来看，一看非常失望。因为是在睡梦里面写的，写的非常非常潦草，根本就看不出写什么东西。他左看右看都想不起来，他昨天晚上做了什么梦。他非常懊丧。

 

但是他很幸运，第二天半夜竟然又做了同一个梦。这次他再也不敢写下来第二天看了，他匆匆忙忙就冲到了实验室里面，照梦里讲的东西去做。怎么做呢？他就是把一个青蛙的心脏离解，就剥下来。大家都知道，青蛙的心脏不像人的心脏，可能离开了人体比较快就死掉了，也可能还可以活一会。青蛙的心脏，你只要有营养液去给它灌流的话，它可以活很长时间。所以他讲，他把这样一个青蛙的心脏去刺激它的神经，刺激神经以后，使得心脏的心跳速度放慢。然后他把通过这个心脏的液体，用来去灌流另外一个心脏。结果发现那个心脏尽管没受到神经刺激，只是把第一个心脏里面的液体放到第二个心脏里面去的话，第二个心脏心跳也变慢了。那么如果去刺激另外一种神经，使得这个心脏的搏动加快。然后把这里面的液体拿到另外一个心脏里面去，它的搏动也加快了。那么这就说明什么？这就说明刺激神经一定释放了某种化学物质，是这个化学物质使得心脏的跳动加快还是减慢。否则的话，第二个心脏没有受到神经刺激，它怎么会也减慢或者加快，对吧。所以，他这个是“汤”学说的第一个实验证据。

 

当然，并不是所有的人都相信他。所以后来人家到他在大会上面去宣读的时候，人家要他当众表演。而且表演的时候不许他自己去做，因为人家怕他手指甲缝里面放了一点化学物质，在第二个心脏跳的时候，也许从指甲缝里面漏一点东西进去。要他自己在屋子的一头，另外一个人在另一头做实验，他只能遥控。他当然也很紧张，因为有的时候你在自己实验室做很顺利，到当众表演也许就不顺利了。但是结果做了十几次都成功。尽管这样，但是还不是所有的人都相信他。他后来又花了十年的时间，针对论敌的质疑做了种种的实验。最后到1936年，他和Dale两人得到了诺贝尔奖，“汤”学说终于站稳了脚跟。

 

勒维就是证明了神经末梢能够释放化学物质，并且作用于心脏，使它改变活动。但是这种物质究竟是什么？因为心脏是心肌，心肌是比较慢的，对骨骼肌这样一种比较快的肌肉来讲，情况是不是也是这样？勒维并没有证明这一点。连勒维本人在1933年都说：“我个人并不相信对骨骼肌来说也存在体液机制。 ”只是由于后来的Dale发现了乙酰胆碱可能对骨骼肌的支配有关，勒维才最终在1935年相信脊运动神经也分泌乙酰胆碱。这样的话，1936年他们两人得了诺贝尔奖。但尽管如此，在中枢神经系统里面，现在他们得到的都是神经和肌肉之间的。那么神经和神经之间，是不是也是通过电还是通过化学物质？特别是在脑里面，究竟是不是通过电还是化学物质？还不知道。所以尽管“汤”学说取得了很大的胜利，但是还没有取得彻底的胜利。还有人就认为它这个只是在外周神经系统，一到中枢神经系统内就不是这么回事了。

 

这以后和他们争论的主要是Eccles，Eccles是在我前面讲过的谢灵顿的学生。Eccles一开始完全师从谢灵顿，他是相信电学说、“火花”学说，他不相信“汤”学说。即使是后来勒维和Dale，有了很牢靠的实验证明以后。Eccles当时虽然觉得不能完全否定勒维的结果，但是他觉得突触传输中起主要作用的依旧是电作用，而化学作用则是第二位的。他还觉得化学的太慢，电比较快。他讲这最多也是外周神经系统，中枢神经系统内可能还是电，那么脑中在脑子里面可能更是电，他还是那么认为。所以Eccles和Dale两个人可以讲的是针锋相对地在那儿争，但是他们完全是对事不对人，而且他们是惺惺相惜。所以后来，“汤”学说的一位终身支持者就讲了：“Eccles的反对对持化学突触学说的学者们有一个最大的好处，我们不能够有丝毫的懈怠，我们不得不积累越来越仔细的证据来支持我们的理论。”Dale也把Eccles称为是化学突触观点的学者最好的“诤友”。Eccles本人同样也认为从这种争论中间获益良多。1937年他说，“我认识到了科学争论的价值，它促使人们去完善自己的实验。”但是他们的争论确实是很厉害。

 

1935年，后来得了诺贝尔奖的一位科学家Bernard Katz，他也是一个从纳粹德国逃到英国的一个科学家。他第一次到Dale的实验室里面，看到Dale和Eccles之间的争论，他说：“令我大为惊诧的是我亲眼目睹了Eccles和Dale好像要站着打起来了。组织会议的Adrian ，Adrian也是另外一个诺贝尔奖的得主。就好像是一位十分不安和不知所措的裁判。Eccles拿了一篇论文，质疑乙酰胆碱作为交感神经节递质的作用，他的根据是乙酰胆碱脂酶的抑制剂毒扁豆碱并不像先前预料的那样起增效作用。当Eccles讲完以后，Brown、Feldberg、Dale等人一个接一个的进行反驳，我不久就发现这类善意的戏弄并不在双方之间造成不快，事实上这只是多年来富有成果的讨论的前奏，而这确实使Dale和Eccles越来越相互欣赏对方。”

 

Dale在给他的信中说道：“在过去一年里，我们之间有许多机会进行争论，我们双方都是公平而心平气和的，我们在意见和解释方面的分歧一点也没有削弱我对您所做的出色工作的赞叹。”当时人们对“汤”学说的主要怀疑，主要讲是认为化学突触太慢。尽管当时没有人知道在突触之间，一个化学物质从一端到另外一端要多长时间，没人知道。

 

后来，美国的另外一个生理学家Cannon指出，当时人们实际上对于突触处的化学过程的速度是毫无所知，他进一步质疑电突触传递的支持者说：“如何解释大家都同意的在突触处有0.2到0.4毫秒的时间上面的延迟？”他指出了在实际上面的延迟比电传输长，如果用电的话不能解释这个样子，时间要相差5到7倍。他认为这可能是支持化学突触的一个有力的东西。后来这方面的证据越来越多，越来越多证据说明“汤”学说有道理，而 “火花”学说不成立。Eccles感到无比沮丧，他对一个好朋友，澳大利亚的科学哲学家波普尔说：“看来这一次他将成为一场长期科学争论的输家。”波普尔劝他说完全没有必要这样沮丧，他的实验结果并没有问题，有问题的是他对结果的解释。波普尔继续劝他说：“在研究某一问题开始时有种种不同的解释不仅是自然的，而且还是必要的，只有当积累起了足够多的事实的时候，才有可能判断谁对谁错。至于究竟是谁对了，而又是谁错了，这对科学本身来说并不重要。科学之所以能不断发展，就在于它能在永无休止的争论中不断推翻不符事实的假设，并继续前进。一位科学家提出一种观点，而另一位科学家则进行研究，找出证据来推翻这种观点。”波普尔说Eccles应该为自己发现了自己的错误而感到高兴才对，他应该修正自己的观点，改进实验，继续前进。甚至通过自己的实验推翻自己以前的错误观点。

 

到50年代的时候，他用当时刚发现的微电极插到神经细胞里面去，做了一个实验，支持了化学学说，放弃了他的电学说。他把他的一本预印本送给了他的论敌Dale。他在论文里面是这样写的：“因此也许可以下结论说，抑制性突触的作用是可以通过某种递质介导的，这种递质是由抑制性突触的终扣中释放出来，这使得突触后的运动神经元的细胞膜的极化增大。突触前放电很小，而突触以后的电位则很大，这一鲜明的对照使我们认识到看来不大可能是通过突触电流诱发那么大的突触后的反应。因为前面很小，后面很大，那么靠谁来放大呢？电不大可能。而另外一方面，正是在神经肌肉接头处的化学递质机制才能够可能造成这样巨大的放大，最可能的一种解释就是：由神经末梢释放的乙酰胆碱是引起了这样一个放大作用。”他给Dale的一本预印本里面还写了：“我希望对化学传递学说的微小贡献可以稍微弥补我拖了那么长的时间才改变看法。”而Dale回答是说：“我极为高兴地读了这篇论文。”他还说：“您对化学突触的新生热情当然不会使我们中的任何一个人感到窘困。”在后一封信中他又说：“我为您所做的一切向您致以最诚挚的祝贺，这不仅是由于您的记录多么漂亮，也因为您在文章中以非常动人的清晰而又简洁的方式加以表达。””后来Eccles说：“我甚至学会了可以在自己所珍视的假设被驳倒以后感到高兴，因为这也是一种科学成就，从对错误的纠正中可以学到许多东西。”

 

所以这是一个非常完整的故事，就是讲了科学是怎么样通过了争论有不同的解释，最后证明一种说法是对的，而另外一种说法则是错了，但是不是完全错了呢？所以我们还要往下看。

 

最后证实脑中的化学突触的是1954年美国科学家Palade和Palay。用电子显微镜来观察神经元，看到了突触。他看到在突触前的细胞膜里面有一些小泡，就是囊泡。这些囊泡里面有一些化学物质，当刺激的时候，这个囊泡会和神经细胞膜融合，把里面的物质释放到这两个的突触之间。然后它会扩散到细胞后膜、细胞后边，和细胞后膜结合起来，引起后面产生了一个电位。所以最后，这个事就是到了上世纪的50年代，最后完全证明了化学递质学说它是有根据的。但是电突触学说也不是一无是处。尽管后来，就是到50年代末的时候，就有人发现在螯虾，就是我们通常讲的小龙虾，实际上不是小龙虾，它不属于龙虾。是触发螯虾逃跑的大神经元中间发现有些神经细胞和神经细胞之间的突触要比我们的有些电突触，它这些电突触之间的间隙要比化学突触小10倍。那么有一些离子通道，可以把这两个细胞，因为它太窄了，它可以把这两个细胞联系起来。那么电信号可以从前一个细胞直接就传递到后一个细胞。不过这个仅仅是电的传导，它不能放大，也不能够进行进一步的处理，都是些比较简单的。但是它快，它的速度很快。所以螯虾它要逃跑的时候，这种神经节它也不需要太复杂，它只要受到了刺激，赶快就逃，那么这个时候这种电突触可能起作用。但是在人的神经系统里面，这种电突触是很少的，所以还是化学突触是占主导地位，但是电突触也不是一无是处。

 

所以从这样一个故事我们来看，就是我们不要太认定某一个说法，而是要把我们思维打开，要Open，要打开，要接受。只有实验和一种开放的思维才能来证明科学上面的争论谁是谁非。