蒲慕明：今人眼中的大腦之美 | 書評
圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal, 1852-1934）
撰文 | 蒲慕明
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現(xiàn)代神經(jīng)科學起源于十九世紀末期；圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾（Santiago Ramón y）的神經(jīng)解剖學研究和他提出的神經(jīng)元理論是主要的起點。一百多年來，神經(jīng)科學界一直公認卡哈爾是有史以來最偉大的神經(jīng)解剖學家。他的偉大之處不僅是他遺留給神經(jīng)科學大量至今仍有參考價值的神經(jīng)解剖學資料，還有他對神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的開創(chuàng)性概念。他繪制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜，在今天仍經(jīng)常被神經(jīng)科學教科書引用。《大腦之美》一書精選了一些他所繪制的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜，給廣大的讀者展示了大腦復雜而神秘誘人的世界。嚴青博士在專研神經(jīng)科學之余，為中文讀者翻譯了這本書，是件可喜可賀的事。
科學家探索自然界的奧秘，經(jīng)常是從觀察自然現(xiàn)象入手。要從初看似乎雜亂無章的現(xiàn)象中抽取出內(nèi)在的規(guī)律，可不是件易事，也是專研科學過程中最需要學的本事。卡哈爾是如何能從無數(shù)大腦的切片中去蕪存菁，描繪出神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精髓？他是怎樣學會這種能力？在《致青年學者》（《 Advice for a Young Investigator 》）一書中，他不斷強調(diào)獨立性、堅持、和專注的重要性，認為智力并不是關(guān)鍵，中等資質(zhì)的科學家也可以做出重要的科學工作，這是否也反映了他自己呢？
卡哈爾出生在西班牙東北部一個鄉(xiāng)村醫(yī)生的家庭。從小喜歡繪畫和攝影，但在父親的堅持下進了醫(yī)學院。1877年，25歲的卡哈爾在薩拉戈薩大學醫(yī)學院擔任解剖學助教期間，開始對生物體的微觀世界產(chǎn)生了興趣。用自己微薄的工資分期付款購買了一個單眼顯微鏡，在家里建立一個小實驗室，用業(yè)余時間專研神經(jīng)解剖，繪制神經(jīng)系統(tǒng)圖譜；就是在這樣的環(huán)境下他開始了神經(jīng)科學界劃時代的工作。
左：一個小女孩的肖像。這幅畫是卡哈爾 16 歲時（1868 年）為他在韋斯卡的藝術(shù)課所作的。右：位于阿耶韋的卡斯瓦斯圣母教堂（the Chapel of Our Lady of Casbas）及周圍的風景。這是卡哈爾不到 20歲時（約 1871 年）所作的一幅水彩畫
卡哈爾繪制的神經(jīng)系統(tǒng)圖譜包括了各種動物大腦里幾乎所有腦區(qū)：從發(fā)育期到成年期、正常的和病態(tài)的、以及神經(jīng)退化和再生的神經(jīng)組織。在二十年間，他以西班牙文發(fā)表了無數(shù)的論文和專著。在1898到1904年間，出版了三本巨著《人類和脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)的組織學》（《Histologie du système nerveux de l'homme et des vertébrés 》），奠定了他在神經(jīng)科學百年來不可動搖的地位。此書在1995年由尼里·斯旺森（Neeny Swanson）和拉里·斯旺森（Larry Swanson ）翻譯為英文, 由牛津大學出版社出版?？ü柕倪@部巨著，可與達爾文的《物種起源》（《 Origin of Species 》）相提并論，是生物科學界少有的傳世之作。
卡哈爾繪制腦圖譜過程可不僅是忠實地描繪神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而是一種歸納性的描述，同時更進一步提出假說的科學研究過程。他觀察到的是經(jīng)過化學藥品固定后的組織切片，是死細胞的靜態(tài)結(jié)構(gòu)；但是在繪制過程中，他以藝術(shù)家的手筆、科學家的判斷力和想象力，使復雜的神經(jīng)系統(tǒng)以具代表性的結(jié)構(gòu)在畫中復活。在繪制圖譜的過程中，卡哈爾提出了三個現(xiàn)代神經(jīng)科學的關(guān)鍵性理論。
首先，他通過細致的觀察，提出了神經(jīng)元的概念（所謂 “神經(jīng)元學說（Neuron Doctrine）”）：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不是一個連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（當時神經(jīng)科學界普遍的見解），而是由許多獨立的神經(jīng)細胞個體（“神經(jīng)元”），通過神經(jīng)元之間的接觸點聯(lián)接而成。這些接觸點后來被查爾斯·謝靈頓（Charles Sherrington ）命名為 “突觸”，也是現(xiàn)在公認神經(jīng)信息在網(wǎng)絡(luò)中傳導必需跨過的、有可塑性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。
大腦中的細胞
第二，他指出所有神經(jīng)元都具有不對稱的極性結(jié)構(gòu)：一邊有一枝很長的所謂 “軸突” 的纖維狀突起；另一邊有許多像樹枝一樣的 “樹突”。他提出樹突是接收其他神經(jīng)元輸入信息的結(jié)構(gòu)，而軸突則是神經(jīng)元將信息傳向遠方的輸出結(jié)構(gòu)，神經(jīng)信息在神經(jīng)元內(nèi)是單向地從樹突流向軸突。他在繪制的一些網(wǎng)絡(luò)圖譜中，加上了許多小的箭頭，指出想象中信息傳導的方向，給靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)填上了動態(tài)的信息。
第三，在發(fā)育組織的切片中，他發(fā)現(xiàn)了生長期的軸突前端有一種 “生長椎” （growth cone）?？ü枌?“生長椎” 動態(tài)性的描述生動地反映了他的想象力：“一個柔軟可變的破城槌，以機械力推開障礙，尋找自己的途徑，最終到達它的目的地”。當時已發(fā)現(xiàn)血液白細胞的遷移可受化學物質(zhì)的誘導，卡哈爾依據(jù)此現(xiàn)象提出神經(jīng)軸突生長的化學誘導理論：生長椎在靶細胞分泌的化學物質(zhì)的誘導下，依據(jù)物質(zhì)的梯度，尋找它的生長路徑，最終找到它的靶細胞，產(chǎn)生突觸聯(lián)接。
斜方體核中的黑爾德氏花萼
幾乎是在一百年后，神經(jīng)科學家才發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)確實表達并分泌各種可引導生長椎的蛋白分子，化學物質(zhì)誘導下的神經(jīng)軸突生長也成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成的重要機制之一?；谏窠?jīng)組織的發(fā)育、退化和再生的結(jié)構(gòu)變化，他還首先提出了神經(jīng)聯(lián)接的可塑性概念。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)育期的修剪、記憶學習過程中的結(jié)構(gòu)變化、創(chuàng)傷后的重建等等仍是目前神經(jīng)科學界的重大問題，卡哈爾在他的著作中有充滿睿智的預(yù)言。
卡哈爾繪制神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖譜的關(guān)鍵技術(shù)是意大利解剖學家卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）發(fā)現(xiàn)的染色方法。高爾基發(fā)現(xiàn)神經(jīng)組織在硝酸銀溶液浸泡后，只有少數(shù)神經(jīng)細胞會吸收銀顆粒，在組織切片中顯示出神經(jīng)元的整體結(jié)構(gòu)，也不會被太多細胞染色所造成的背景干擾。高爾基染色法的使用和優(yōu)化，促成了卡哈爾的偉大成就。高爾基本人對神經(jīng)元理論卻不贊同，一直認為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是個連續(xù)體。他與卡哈爾為此爭論多年，雖然兩人同時在1906年一起獲得第一個諾貝爾生理與醫(yī)學獎。
卡哈爾的成功來之不易；他初期的工作是在主流之外，用西班牙文發(fā)表的論文也不為人知。他提出的神經(jīng)元理論是經(jīng)過十余年的努力奮斗后，才慢慢被人接受。推翻科學界的主流觀點是創(chuàng)新的本質(zhì)，而科學界對可能推翻目前共識的創(chuàng)新工作，尤其是來自不知名年輕科學家的工作，總是有排斥性的?？ü枌δ贻p科學家強調(diào)做科研要堅持，他所說的不僅是在實驗臺前堅持工作，也應(yīng)包括對自己科學信念的堅持。隨波逐流易，中流砥柱難，卡哈爾的科學歷程值得我們的體會和學習。
大腦可能是宇宙間最復雜最神秘的物體。《大腦之美》一書展現(xiàn)了大腦組織的微觀結(jié)構(gòu)之美。與自然界的許多美景一樣，它們的背后，還有另一種更值得觀賞的美景，如法國數(shù)學家亨利·龐加萊（Henri Poincaré）所說的“……不是直接沖擊你的感官的自然美，而是一種來自對自然界組分間的和諧規(guī)律；只有通過純粹智力的理解才能體會的自然美……” 要觀賞這種美景，必須理解美景背后的科學內(nèi)涵。希望本書能激起讀者對既美麗又神秘的大腦進一步探索的興趣。
卡哈爾早年熱愛繪畫，轉(zhuǎn)向神經(jīng)圖譜的繪制后，能投入終生不懈的熱情，可是因為他不斷發(fā)現(xiàn)美麗的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中有一些更美的自然規(guī)律？百余年后的今天，美麗的大腦中仍有許多尚未現(xiàn)身的規(guī)律?？ü査^察到各種形態(tài)特異的神經(jīng)元在演化和發(fā)育過程中是如何出現(xiàn)的？基因的表達如何造成各種形態(tài)的神經(jīng)元（細胞內(nèi)DNA編碼的一維信息如何轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻拥娜S結(jié)構(gòu)）？各種神經(jīng)元軸突和樹突如何產(chǎn)生準確的突觸聯(lián)接？環(huán)境因素如何影響大腦網(wǎng)絡(luò)的形成？各種腦功能如何通過網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)環(huán)路來實現(xiàn)？網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的異常與腦疾病有何關(guān)聯(lián)？
事實上，二十一世紀腦科學研究目標與卡哈爾當年沒有本質(zhì)上的差別—— 都是要理解大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能。我們現(xiàn)在有了更新的研究手段，可以分析單個神經(jīng)元的基因表達譜，可以在活體標記特殊類型的神經(jīng)元，三維重構(gòu)全腦的神經(jīng)聯(lián)接, 也可以觀測神經(jīng)元在活體網(wǎng)絡(luò)中的電活動。全腦 “介觀”（有神經(jīng)元分辨度）神經(jīng)聯(lián)接圖譜的繪制，包括局部腦區(qū)的聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)（卡哈爾所繪制的主要內(nèi)容）和全腦的神經(jīng)軸突的投射譜，已在世界各國開展，也是我國今年即將啟動的中國腦計劃（“腦科學與類腦研究”）重大科技專項（2019-2035）中的一項重要工作。對美麗大腦結(jié)構(gòu)的探索，卡哈爾的圖譜是起點，終點還在遙遠的未來。
中科院蒲慕明院士作序推薦
《大腦之美：圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾繪圖集》
