3.4 神经网状理论与神经元原理

英国伦敦人罗伯特·胡克（Robert hooke）于1665年发明了显微镜。1718年，荷兰代尔夫特人安东·冯·列文虎克（Anton von Leeuwenhoek）发表文章说，利用显微镜看到了牛的神经末梢（时年84岁），声称发现的是很多单个的空心管，就是类似于笛卡尔（或者其他人）曾想象的那种从感觉器官通向大脑（感知），或者从脊髓通向肌肉（行为）的输送“动物精气”的那种空心管。问题是他使用的早期显微镜会随镜片的不同而反射不同波长的光，也就是“色差现象”。考虑到神经物质处于极小的数值范围内，所以这是一个很严重的问题。直到1820年，出现了功能更强和没有色差干扰的显微镜之后，才允许人们使用“显微镜”观察、确认神经细胞的胞体及其外延部分。第一个相当精确地看到神经细胞和神经纤维显微结构的是被称为“历史的发现者”的浦肯野（Jan purkyne，1787—1869）。浦肯野最先学习哲学，后来还发现了“浦肯野位移”（“浦肯野位移”是指在不同的适应状态下对有色光的视觉灵敏度不同的现象。在明适应时对红色和橙色看起来较亮，而在暗适应时则对蓝色光看起来较亮。——译者注）。1836年浦肯野的学生加布里·瓦伦丁（Gabriel Valentin，1810—1883）绘制了一张神经细胞（a “kugeln” or globule）的显微图像，这是“第一份生物学中有关神经细胞的绘制图”。瓦伦丁清晰地描绘了胞膜的轮廓，68并记录了神经细胞常常带有一个尾巴状的附属物，但他认为胞体和这个附属物都单独地被一种皮鞘包裹着，“因此，瓦伦丁与神经纤维发端于胞体这一发现失之交臂”。1837年，浦肯野在布拉格做了一次演讲，描述了小脑皮层上的一种大的神经节细胞，现在称为“浦肯野细胞”。浦肯野还注意到，“尾状末端的方向朝外，以两种组织派生物的形式消失在灰质中”，那种组织派生物后来被称为“树突棘”。但他也没有发现这些纤维与胞体的联系。1838年，西奥多·施旺（Theodor Schwann，1810—1882）提出了“细胞理论”：整个胞体，包括所有细胞内部和外部的部分，组成一种单个细胞。细胞理论适用每种器官组织，除了神经系统，主要原因是存在下面两个困难：

1.显微镜并不能说明是所有的神经纤维均直接由神经细胞产生，还是部分神经纤维可能独立存在。

2.并不能找到长且细的树突有明确的末梢，也不能确定它们是否与邻近的细的树突联结在一起，形成一种连续的神经网络。

第一种观点和另一种观点即神经元之间在接触点处相互作用而发生联结，便形成了“神经元原理”。第二种观点假定活性以连续的方式在整个树突网中扩散。1833年，埃伦贝尔（Christian Ehrenberg）将神经纤维与血管系统的毛细血管作了比较，血液循环的动-静脉系统的连贯性为后来的“神经网络理论”提供了模型［3］。同时，研究者们也在尝试着是否可以减少这种种类繁多的树状模式，最后将所有神经纤维分为两类，即我们今天所说的“树突”和“轴突”（卡哈尔的“动力极化原则（Law of Dynamic polarization）”表明，每个神经元都可以作为一个整体——树突接收信息，轴突输出信息，后面阐述）。戴特斯（Deiters）和柯力克（Koelliker）分别于1865年和1867年提出轴突是相互独立的，而树突则可能联结成网络。

根据柯力克主要于1853年所完成的工作进行判断，他也许是第一个在事实上确立了神经纤维产生于神经细胞的人。1865年，戴特斯第一次指出了我们现在称为树突和轴突的区别，“戴特斯通过对树突和单个轴突的仔细观察，使他直接走上了神经元原理的道路，甚至已经通向了现代。然而讽刺的是，在介绍他的第二组精细纤维时，却为网状（神经网络）理论作出了贡献”（Shepherd，1991：47）。需要新的和更先进的技术才能解决这个难题，这把前进的钥匙便是1870年高尔基发明的染色法。

高尔基

高尔基（Camillio Golgi，1843—1926）在1873年获得了一个重要的发现——水银染色法，这是在米兰附近他工作的一家医院厨房里发现的。这个方法很难可靠使用，但一旦成功，神经细胞就会在黄色的背景下被清楚地染成黑色，从而相关的全部显微特征都能够显现出来。

高尔基认为，轴突形成一个稠密的相互融合的网络，是一个循环系统（“交叉融合（anastomosis）”），完全可以通过染色技术得到的结果证实。然而，“事实上，这种方法并不足以得出这种结论，因为微细的树突末端并没有被完全染色，它们实在太微细了，所以无论如何也不能依靠光学显微镜清楚地证明它们之间‘交叉融合’，高尔基的神经组织网络理论忽略了这个致命的误解”（Shepherd，1991：91）。高尔基还认为，树突的主要作用是提供营养。这种神经网络的观念使他反对脑定位理论而支持脑功能整体论。1883年，他写了一篇很长的文章，对他的研究发现作了回顾和总结，其中尤其与网络观念相关的内容如下：

十一：在中央神经器官的所有灰质层中，存在一种精细而复杂的扩散神经网络……可以被分解为微长细丝，（这些细丝）逐渐形成一个交织的网络，因此失去了它们特有的独立性……这里描述的网络，显然使中央灰质广阔区域内的细胞分子构成了一种解剖上和功能上的整体。

十五：据前面所讲的，可以推出另一个必然结论，即所谓的脑机能定位理论，严格来说……并不能被精微的解剖研究结果所支持。（Shepherd，1991：99-100）

令人惊讶的是，高尔基在进行他“卓越”的研究生涯的同时，还兼任帕维亚大学的校长和罗马参议员。

卡哈尔

在此时期有很多解剖学家反对（神经）网状理论，以圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramonyy Cajal，1852—1934）最为强烈。701887年，卡哈尔在马德里观察了高尔基的染色样本后，通过切制厚截片研究神经元前端的髓鞘而改进了染色方法。1888年，卡哈尔在他的第一篇论文中提到，轴突和树突都找不到“交叉融合”形成连续网络的证据。随后的研究更加支持了他的这种判断。他于1889年发表文章提出，所有的神经细胞都是独立的元素。

1889年，卡哈尔来到柏林，在一个讨论会上详细阐述了他的观点。在那里，他遇到了威廉姆·冯·沃尔德耶（Wilhelm von Waldeyer，1836—1921）。沃尔德耶深受卡哈尔的影响，在1891年写了一篇流传很广、颇具影响力的理论评论支持卡哈尔。卡哈尔认为，“神经元”（神经细胞）是神经系统解剖、生理、新陈代谢和遗传的基本单元。这里，他引入了“神经元”术语，提出了他的神经元原理：

Ⅰ.所有神经纤维的轴索（轴突）……表明，它们直接发端于胞体。并不存在纤维网络或者任何与网络有关的东西。

Ⅱ.所有的神经纤维都以“树状尾端”终结，并没有网状和交叉融合的形态。（Shepherd，1991： 181-2）

1894年，卡哈尔应伦敦皇家学会邀请在声名赫赫的克鲁尼安讲座（Croonian Lectures）中所作的报告（题目是“神经细胞的细微结构”（原文为法文“La fine structure des centres nerveux”。——译者注）），成为他在1909年出版的有关神经系统神经结构的两卷本著作的基础。这是神经科学史上非常重要且关键的一次报告，总结了他之前的实验研究，以及高尔基、戴斯特和柯力克等人的工作，具有里程碑式的意义。他这样令人振奋地写道：“探究神经系统中不同神经细胞的类型和它们的交互作用，这种理想比其他的研究来说，早已根植在了连续几代科学家的心中”（同上，254）。卡哈尔提出，每个神经细胞由三个部分组成，各部分具有完全不同的功能：胞体和“原生质的延长部分”（现在称“树突”）接受刺激，“轴索”（现在称“轴突”）负责传递刺激，轴索尾端负责发送刺激，基本上与现代的观点相一致。然而神经元理论的追随者们并不能解释：如果它们不是互相融合的，那么如何相互进行交流？

查理斯·谢灵顿（Charles Sherrington，1857—1952）推测神经元之间及神经元与肌肉之间存在着间隙连接点，并在1897年称这些连接点为“突触”（“synapse”取自希腊语，为了强调起“联结”作用）。他在1897年的一篇著名论文中写道：“迄今为止，我们已经逐渐明确，树状枝末梢和与其相互作用的树突或胞体物质之间并不是连续的，只是互相联系而已。一个神经细胞与另一个神经细胞的这种特别的空间联合称为突触。”在此之前，埃米尔·杜·布瓦-雷蒙德（Emil du Bois-Reymond，1818—1898）在19世纪70年代曾说道，倘若兴奋从神经传递到效应器细胞的动力可以由电或者化学反应提供——那么具体的细节就要等到20世纪凭借技术的发展才能揭示出来。

迟至1906年（正是高尔基和卡哈尔因他们的研究工作共同获得诺贝尔奖的那一年），高尔基对神经元原理的三个中心论题表示反对。这三个论题分别是：（1）神经元是一种增殖单元；（2）神经元是一种细胞；（3）神经元是一种生理单元。高尔基依然坚持轴突互相融合交叉而形成一张大的整体统一的网络的观点。他在接受诺贝尔奖发表演讲时说道：“关于神经元问题的这一说明，与其说是结论还不如说是对这些现象所作的一种整合，又把我带回了原点——也就是说，沃尔德耶用来支持神经元个体性和独立性的理论论据是经不起深究的。”因此，他也同样反对脑机能定位理论。