神經元是如何被發現的:「現代神經科學之父」卡哈爾的故事

撰文丨思無邪（復旦大學上海醫學院臨床醫學八年制在讀）

責編丨錢心怡

排版丨夏獺

1906年12月10日，諾貝爾生理學或醫學獎的頒獎儀式正在瑞典斯德哥爾摩音樂廳舉行。人們翹首以盼，急於一睹獲獎者的風採。這一年，卡米洛·高爾基（Camillo Golgi，以下簡稱「高爾基」）和聖地牙哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal，以下簡稱「卡哈爾」）共享了諾獎獎牌。

高爾基和卡哈爾均是非常傑出的神經學家和組織學家：高爾基發現神經元可以用硝酸銀染色，從而將神經可視化，使觀察神經組織變為可能；卡哈爾改良了高爾基發明的染色法， 進一步觀察到了神經元完整的突起， 並對神經系統的結構進行了一系列研究。

有趣的是，雖然他們的研究方法同源，但他們對神經系統的結構卻持有截然不同的觀點。在頒獎儀式上，他們仍然很「敬業」地將學術爭論進行到底：高爾基支持「網狀理論」（the reticular theory），認為神經系統是一個連續的網狀結構，不同神經細胞突起相互融合成網狀，類似循環系統的動脈和靜脈。他在頒獎典禮上直接質疑卡哈爾提出的「神經元學說」—— 卡哈爾認為神經元是獨立的單位，突起互不融合，但可以通過特殊的結構（後來被命名為「突觸」）傳遞信號。

如今，我們已經知道卡哈爾的「神經元學說」才是正確的。讓人不禁深思的是：作為銀染法的創始人，比卡哈爾早十幾年進行神經組織的研究、也比卡哈爾擁有好得多的實驗條件的高爾基，為何在這場激烈的學術爭論中輸給了卡哈爾？

左：高爾基，認為神經細胞相互連接；圖為網狀的神經

portrait via en.m.wikipedia.org/wiki/Camillo_Golgi, drawing credit to Odra Noel. via CC BY-NC

右：卡哈爾，認為神經細胞互不相連；圖為分離的兩個神經細胞（選自卡哈爾手稿）

portrait via en.wikipedia.org/wiki/Santiago_Ram%C3%B3n_y_Cajal, drawing from: Beautiful Brain: The Drawings of Santiago Ramon y Cajal

「網狀理論」和「神經元學說」之爭

故事還得從頭說起。

1852年，卡哈爾在西班牙出生。他的父親是一名醫生，在其引導下，卡哈爾選擇就讀醫學院。

1873年，卡哈爾從薩拉戈薩大學醫學院畢業，成為了一名軍醫。

當卡哈爾初出茅廬之際，高爾基在同一年已經發明了銀染法——日後他就是主要憑藉這一發明與卡哈爾共享諾貝爾獎。在此之前，科學家能通過將組織染色在顯微鏡下觀察其結構，但人們對神經組織仍然一籌莫展。高爾基首次採用鉻酸銀-浸銀法，將神經纖維染成黑色，使其在半透明的黃色背景下可見。

高爾基染色法示神經組織

via en.wikipedia.org/wiki/Golgi%27s_method

雖然使用該方法只能看見少數神經元，且穩定性和可重複性差，但這是人們第一次清晰地觀察到神經纖維。高爾基在觀察不到神經元間隙的情況下，認為神經纖維彼此融合成網——畢竟這能很好地解釋為什麼功能複雜的神經系統能快速產生靈活、協調的反應。

1875年，卡哈爾結束軍旅生活回到西班牙，成為薩拉戈薩大學醫學院解剖學系助理教授，走上了學術研究道路。值得一提的是，卡哈爾在馬德裡訪問了Aureliano Maestre de San Juan教授，被其用單眼顯微鏡觀察到的組織學切片所驚豔，於是決定在自己家中也設立一個小型組織學實驗室。此後，卡哈爾對組織學的研究便一發而不可收。

1886年，胚胎學家Wilhelm His 觀察了不同發育時間點的神經纖維，認為神經細胞並不融合，並且它們可以在沒有緊密連接的情況下傳遞信號。大概在同一時間，August Forel注意到運動神經不與肌纖維直接連接，由此推測中樞神經系統中的神經細胞也不一定需要彼此連接。當時的科學界主流支持的是神經系統的「網狀理論」，因此，這是歷史上質疑「網狀理論」 的第一聲。

這時，我們的主角登場了——卡哈爾迎來了他的學術生涯轉折點。1887年，卡哈爾訪問了來自瓦倫西亞的神經精神病學家Luis Simarro Lacabra教授，並被他所展示的 「高爾基染色法」所吸引。隨後，他也開始嘗試用高爾基染色法製備神經組織。對科學的高度敏感讓卡哈爾很快意識到這種方法在探索神經系統結構方面的無限潛力。面對「高爾基染色法」可重複性差的問題，卡哈爾用 「雙重浸漬」 對其進行了改良，並做了其他一些微小而有效的改變，建立了還原硝酸銀染色法。

最終，他得以在小鳥和哺乳動物腦中觀察到包括整個軸突的完整神經元及其突起間的間隙。此外，他還採用其他染色方法，如「歐利希（Ehrlich）染色法」等，進行了重複驗證。

卡哈爾手稿：小腦浦肯野纖維

from: Beautiful Brain:The Drawings of Santiago Ramon y Cajal

1888年，卡哈爾基於改良「高爾基染色法」 和隨後嘗試的「歐利希染色法」的染色結果，大膽質疑「網狀理論」，提出神經細胞互相獨立的觀點。

1891年，瓦爾岱耶（Wilhelm von Waldyer）被卡哈爾等提供的客觀證據信服，提出 「神經元」 這一名稱，並在卡哈爾等工作成果的基礎上正式建立了 「神經元學說（the neuron doctrine）」 。

隨後的幾年裡，卡哈爾對神經系統的結構進行了大量研究。他發現了樹突棘（dendritic spine）、生長錐（growth cone）等，建立了動態極化理論（the law of dynamic polarization），並對神經可塑性、神經變性和再生等作了相關論述，研究涉獵極廣。

其中，「網狀理論」和「神經元學說」的爭論並不是卡哈爾與當時神經科學界的唯一爭論，卡哈爾認為樹突棘真實存在的觀點同樣被學界質疑。讓我們暫時停下主線故事，來看看卡哈爾是如何發現樹突棘的。

樹突棘的發現

樹突棘的超微結構

via en.wikipedia.org/wiki/Dendritic_spine

1888年，卡哈爾在質疑「網狀理論」的同時，也提出了神經元存在樹突棘的觀點。事實上，他並不是第一個觀察到樹突棘的人，未經改良的 「高爾基染色法」就能顯示神經細胞樹突周圍這些 「顆粒狀的黑點」，然而包括高爾基本人在內的多數人將其視為染色產生的雜質，認為神經元表面是光滑的。畢竟，在「高爾基染色法」十分不穩定的情況下，將神經細胞周圍這些看起來不相連的黑點視為不相干的雜質非常合理。

在1894年的文獻中，卡哈爾推測樹突棘能接受軸突傳來的信號，在樹突和軸突的信號傳遞中起重要作用。至此，卡哈爾為神經元學說畫上了重要的最後一環。

然而，卡哈爾在世時樹突棘的存在並沒有得到廣泛承認，他在臨終前仍不忘向學生重申他的這一觀點。

「現代神經科學之父」

卡哈爾和他的實驗室

via commons.wikimedia.org/wiki/File:Ram%C3%B3n_y_Cajal_ca._1884-1887_(autorretrato).jpg

神經元學說和樹突棘的爭論真正塵埃落定， 是在20世紀中期電子顯微鏡的發明之後了。借用電子顯微鏡，科學家們根據對神經元及其樹突棘、突觸的超微觀察，直接證明了卡哈爾是正確的。

由於其大量的開創性研究成果為現代神經科學奠定了基礎，卡哈爾被譽為「現代神經科學之父」。

讓我們回到文章開頭的問題，卡哈爾得以正確預測神經元結構的原因，也許可以從卡哈爾的領獎致辭中窺見一斑。卡哈爾認為：支持「網狀理論」的科學家可能犯了兩種錯誤：第一是主觀原因：由於缺乏耐心，他們沒有去嘗試其他的染色方法或改良已有的染色方法。第二是客觀原因：受限於技術本身，現有的「高爾基染色法」只能對神經元進行簡單的觀察，而不能觀察到神經元的完整突起和它周圍的結構。可以說，卡哈爾的一系列發現除了要歸功於其敏銳的觀察力和天才般的科學直覺，更離不開其執著的嘗試和耐心的試驗。

參考文獻

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[2] Santiago Ramón y Cajal – Biographical. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Sat. 24 Aug 2019. from: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1906/cajal/biographical/

[3] Cajal, S. R. (1906). The Structure and Connexions of Neurons. In Nobel Lecture. Retrieved November 5, 2010 from:https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/cajal-lecture.pdf

[4] Golgi, C. (1906). The neuron doctrine – Theory and Facts. In Nobel Lecture. Retrieved November 5, 2010 from:https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/golgi-lecture.pdf

[5] Finger, S. (2000). Minds Behind the Brain: A History of the Pioneers and Their Discoveries. New York NY: Oxford Press.

本文經授權轉載自微信公眾號「腦人言」。

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