5 神经细胞在说话

如果我成了一名执业精神分析师，我会花很多时间倾听患者谈论他们自己——关于他们的梦境和清醒时的记忆、他们的冲突和欲望。这也是由弗洛伊德开创的“谈话疗法”，这种内省的精神治疗方法能够达致更深层次的自我理解。通过鼓励患者对思维和记忆的自由联想，精神分析师帮助他们释放出潜藏在有意识思维和行为背后的无意识记忆、创伤及冲动。

在格伦德费斯特的实验室，我很快就领会到，要理解大脑如何运作，我必须学习如何聆听神经元，如何解读作为一切精神生活基础的电信号。电信号传导表征的是心智的语言，它们通过作为大脑构件的神经细胞进行传输，使得彼此之间能够长距离交流。聆听这些谈话并记录神经活动可以说是一种客观的内省法。

格伦德费斯特是信号传导生物学的领军人物。我从他那里学到，对神经细胞的信号传导功能的探索历程可以分成4个阶段，从18世纪开始，经过两百年的研究历程，终于在艾伦·霍奇金和安德鲁·赫胥黎的工作中得到了非常清晰和满意的解答。自始至终，神经细胞如何交流这一问题一直吸引着那些科学界最聪明的头脑。

第一阶段可追溯到1791年，当时来自意大利博洛尼亚的生物学家路易吉·伽伐尼在动物身上发现了电活动。伽伐尼截下一条青蛙的腿挂在了他家阳台铁栏杆的铜钩上，他发现铜和铁这两种不同类的金属的相互作用，偶尔会使得蛙腿抽动，看上去就好像它还是活的。伽伐尼还能通过电脉冲刺激蛙腿使其抽动。进一步研究之后，他认为神经细胞和肌肉细胞自身具备产生电流的能力，肌肉抽搐是由肌肉细胞产生的电流引起的，而非由当时普遍相信的“气”或者“活力”。

伽伐尼的洞见和他让神经活动的解释脱离活力玄学的领域，进入自然科学的范畴这一成就，在19世纪由赫尔曼·冯·亥姆霍兹进一步发扬光大。亥姆霍兹是首批将物理学中的严密方法带入脑科学研究的科学家中的一员。亥姆霍兹发现，神经细胞轴突产生的电流并不是它们活动的副产品，而是制造讯息的一种方法，使其可以沿着轴突传导。这些讯息用来将外部世界的感觉信息传到脊髓和脑，并将来自脑和脊髓的动作指令发送到肌肉。

亥姆霍兹在进行上述研究的过程中，做出了一个非凡的实验测量，这一测量改变了人们对动物电活动的认识。1859年，他成功地测量到这些电讯号传导的速度。让他感到惊讶的是，沿着活轴突传导的电流与铜线中的电流有着本质不同。在金属线圈中，电信号传导的速度接近光速（每秒18.6万英里）。尽管速度这么快，但由于传导是被动的，信号强度会在长距离传导中严重衰减。如果轴突也是依靠被动传导，那么从你大脚趾皮肤下的神经末梢传来的信号在它到达大脑前就消失殆尽了。亥姆霍兹发现神经细胞轴突传导的电流远比金属线圈中的慢，它们是通过一种新的波状活动方式主动传导的，速度各异且最快能达到每秒90英尺！后续研究表明，神经电信号与金属线圈中的电信号不同，它们在传导时强度不会减弱。于是，神经牺牲速度进行主动传导，以确保来自你大脚趾的信号到达脊髓时不会衰减。

亥姆霍兹的发现引出了占据生理学领域下个百年的一系列问题：这些后来被称作动作电位的传导信号是怎么一回事？它们如何编码信息？生物组织如何产生电信号？具体而言，这些电流究竟通过什么在传导？

说到研究信号的形式和编码信息的规则，我们就进入了研究的第二阶段，它始于20世纪20年代埃德加·道格拉斯·阿德里安的工作。阿德里安（图5-1）开发的研究方法能够记录和放大沿着皮肤上的个体感觉神经元轴突传导的动作电位，让我们得以首次理解神经细胞的基本表达方式。在研究过程中，他做出了几项关于动作电位，以及它如何生成主观感觉的重要发现。

为了记录动作电位，阿德里安使用很薄的金属线圈。他将金属线圈的一端置于皮肤感觉神经元轴突的外表面，另一端则与一个墨迹记录仪（用于观察动作电位的形状和模式）和一个扩音器（用于听到动作电位的声音）连接在一起。每当阿德里安触摸皮肤，就会产生一个或多个动作电位。每当出现一个动作电位，他就会从扩音器里听到短促的“梆！梆！梆！”并看到墨迹记录仪上出现一个短暂的电脉冲。感觉神经元的一个动作电位仅仅持续千分之一秒，它包括两个成分：首先快速上升到峰值，接着保持匀速下降回到起点（图5-2）。

墨迹记录仪和扩音器反映出的是同一个显著事实：单个神经细胞产生的所有动作电位都几乎一样。它们有着同样的形状和振幅，这与激发它们的刺激强度、持续时间或位置无关。因此，动作电位是一个恒定的“全或无”信号：只要达到了产生信号所需的阈值，这个信号就几乎总是一样的，不会变大也不会变小。动作电位产生的电流足以让轴突毗邻的区域兴奋，使得动作电位以最快每秒100英尺的速度沿着整个轴突继续传导，而不会消失或衰减，这个结果与亥姆霍兹之前测量的几乎一致！

发现动作电位具有这一全或无特性之后，阿德里安开始进一步思考更多的问题：感觉神经元如何报告一个刺激的强度——触摸是轻是重，光线是明是暗？它又如何传达一个刺激的持续时间？更广泛地讲，神经元如何区分不同的感觉信息，比如将触觉与痛觉、视觉、嗅觉或听觉区别开来？它们又如何区分知觉相关的感觉信息和动作相关的运动信息？

阿德里安首先着手解决的是强度问题。在一项标志性研究中，他发现强度是由动作电位发放的频率来体现的。一个轻微的刺激，比如轻抚手臂，会激发每秒两到三个动作电位，而一个强烈的刺激，比如拧或者撞一个人的肘部，会激发每秒100个动作电位。类似地，感觉的持续时间由其产生的动作电位的持续时间决定。

接下来，他探究了信息如何传导。神经元是通过不同的电编码来告知大脑它们携带了不同的感觉信息（比如痛觉、视觉或听觉）的吗？阿德里安发现并非如此，不同感觉系统的神经元产生的动作电位差异极小。因此，一种感觉的属性——比如，它是视觉还是触觉——并不体现在动作电位的差异上。

那么，神经元携带的不同信息通过什么来区分呢？简而言之，是通过解剖学。在一项确证卡哈尔的连接特异性原理的研究中，阿德里安发现神经所传导信息的属性，取决于该信息激活的神经纤维的类型，以及这些神经纤维连接的特异性大脑系统。每一种感觉沿着特异性神经通路传输，神经元传导的特定信息取决于该信息所属的通路。在感觉通路中，信息从感觉神经元——对触摸、疼痛或光照等环境刺激做出反应的感受器——传递到脊髓或脑中特定的专门神经元。视觉信息之所以不同于听觉信息，是因为它们激活的是不同的通路。

1928年，阿德里安以他特有的生动的语言风格总结了他的工作：“不论一个讯息最终是为了唤起视觉、触觉还是痛觉，其所引发的脉冲都是极其相似的；如果这些脉冲非常密集，我们的感受就强烈；如果它们被间隔开来，相应地我们的感受就轻微。”

最后，阿德里安发现大脑中的运动神经元发送给肌肉的信号事实上与皮肤感觉神经元传递给大脑的信号是一样的：“运动纤维和感觉纤维传递的信号几乎完全对等……都遵循相同的全或无法则。”之所以特定神经通路发出的一连串动作电位会使得我们的手运动，而不是让我们感知到有色光，是因为这条通路与我们的指尖相连，而没有连着视网膜。

和谢林顿一样，阿德里安将卡哈尔基于解剖学观察的神经元学说扩展到了功能学研究的领域。而与陷入痛苦竞争的高尔基和卡哈尔不同的是，谢林顿和阿德里安是一对互相支持的好朋友。他们两位凭借在神经元功能方面做出的发现，分享了1932年的诺贝尔生理学或医学奖。听闻自己将与谢林顿分享这一荣誉，作为后辈的阿德里安在致对方的信中写道：

阿德里安已经听到了神经信号传导中发出的“梆！梆！梆！”的声音并发现这些电脉冲的频率表征着感觉刺激的强度，但还有一些问题没有解决。神经系统为什么具有以全或无方式传导电信号这种非凡的功能？如何打开和关闭电信号？它们沿着轴突快速传导的机制又是什么？

信号传导研究历程的第三阶段关注的就是动作电位产生的机制，这一阶段始于1902年由朱利叶斯·伯恩斯坦首次提出的膜假说。他是亥姆霍兹的学生，19世纪最具创造力、最有成就的电生理学家之一。伯恩斯坦想知道，全或无法则背后的机制是什么？动作电位的电荷从何而来？

伯恩斯坦明白轴突是被细胞表膜包裹的，即便在静息状态下，没有任何神经活动时，膜的两侧也存在着一个稳定的电位差，现在我们将其称作静息膜电位。他知道这一电位差对神经细胞非常重要，因为一切信号传导都是基于这一静息电位的改变。他测定这一跨膜电位差为70毫伏，细胞内部比外部带有更多的负电荷。

怎么解释这一电位差？伯恩斯坦推断一定有什么东西能够跨过细胞膜来运输电荷。他知道人体中的每个细胞都沐浴在细胞外液中。细胞外液不像金属，其中不包含自由电子来运输电荷，而是存在大量离子——比如钠、钾和氯等带电原子。此外，每个细胞内的细胞质也包含高浓度离子。他认为这些离子可以运输电荷。他进一步推断道，跨膜电流的产生，可能就源于细胞内外离子浓度的不平衡。

伯恩斯坦从早前的研究中得知细胞外液是含盐的：它包含高浓度带正电的钠离子，并有等量高浓度带负电的氯离子与之形成平衡。相反，细胞质包含高浓度带负电的蛋白质，并被高浓度带正电的钾离子平衡。因此，细胞膜每一侧的正负电荷都是平衡的，只不过包含的离子不同。

为了让电荷在神经细胞膜间流动，细胞膜必须对细胞外液或细胞质中的某些离子具有通透性。是哪些离子呢？试验了各种可能性之后，伯恩斯坦大胆做出结论，他认为在静息状态下，细胞膜对除了钾离子之外的所有离子都有屏障作用。细胞膜包含现在称作离子通道的特定开口，这些通道只允许钾离子顺着浓度梯度从具有高浓度钾离子的细胞内部流向具有低浓度钾离子的细胞外部。由于钾离子带正电，它从细胞内流出使得细胞膜内表面略微带上了负电，这是因为细胞内还存在蛋白质。

尽管钾离子流出了细胞，但它又受到它外流后细胞内净负电荷的吸引。因此，细胞膜外表面就会分布着从细胞内外流的钾离子所带的正电荷，而细胞膜内表面则分布着试图拉回钾离子的蛋白质所带的负电荷。当这一过程达到平衡时，膜电位就会稳定在–70毫伏（图5-3）。

这些关于神经细胞如何维持其静息膜电位的基本发现让伯恩斯坦追问：当一个神经元受到充分刺激并产生动作电位时，会发生什么呢？他用一台电池驱动的刺激器制造电流，传给神经细胞轴突以产生动作电位，并推论出动作电位发生时，细胞膜的选择通透性会暂时失效，允许所有离子自由进出细胞，静息膜电位降低至零。根据这一推断，由于细胞膜电位是从–70毫伏变为0毫伏，那么动作电位的振幅应该是70毫伏。

伯恩斯坦论述的膜假说后来被证明是很有力的，这部分是因为它基于已被充分确立的溶液中离子运动的原理，部分是因为它如此优雅。静息电位和动作电位并不需要复杂的生化反应，而只是利用离子的浓度梯度中存储的能量。从更广泛的意义上讲，伯恩斯坦的论述与伽伐尼和亥姆霍兹的研究一起，以强有力的证据表明了，物理学和化学定律甚至可以用来解释心智运作的某些方面——神经系统的信号传导及在此基础上对行为的控制。没有必要再给“活力”或其他不能用物理学和化学术语解释的现象留下一席之地。

第四阶段由艾伦·霍奇金和安德鲁·赫胥黎提出的离子假说主导，前者是阿德里安最出色的学生，后者是霍奇金本人优秀的学生兼同事（图5-4）。霍奇金和赫胥黎的工作关系既相互补充，又协调一致。霍奇金对神经细胞运作的生物基础及其研究历史具有敏锐的洞见。作为一名出色的实验者和一流的理论家，他总是在寻找实验的直接发现背后的更大意义。赫胥黎是一名深具技术天分的数学奇才。他设计了新的方法来记录和观察单个细胞的活动，还开发了数学模型来描述他和霍奇金获得的数据。他俩是一对完美的搭档，其合作成就大于两个人个人成就的总和。

霍奇金的过人天赋在他事业的早期就已显现，1939年刚开始与赫胥黎合作时，他已经在神经信号传导研究方面做出了重要贡献。凭借一篇以“神经传导的性质”为题的博士论文，他于1936年获得了英国剑桥大学三一学院的从事研究的院士称号 。在那篇论文中，他以优雅的定量细节指出动作电位产生的电流大到足以跳过轴突被麻醉的部分，传导至未被麻醉的部分并在那里产生一个动作电位。这些实验为动作电位一经产生便不会消失或衰减的原因提供了最终的洞见。根据霍奇金的理论，这是因为动作电位产生的电流远大于激活一个毗邻区域所需的电流。

霍奇金博士论文中描述的研究是如此重要，其论证风格又如此优美，以至于他年仅22岁就得到了国际科学界的关注。英国生理学界的权威、诺贝尔奖得主 A.V.希尔是霍奇金博士论文委员会的一员，这篇论文给他留下了深刻印象，于是他把论文转发给了洛克菲勒研究所所长赫伯特·加瑟。在他附上的信中，希尔称霍奇金“非常卓越。……一个实验科学家在第四学年就成为院士，这在剑桥三一学院简直是史无前例的，但这小子做到了”。

加瑟认为霍奇金的论文是一项“非常漂亮的实验工作”，并邀请他于1937年来洛克菲勒研究所做访问学者。在那一年里，霍奇金与在隔壁实验室工作的格伦德费斯特交上了朋友。霍奇金还访问了美国其他几间实验室，并接触到了他随后用以大展身手的乌贼的巨大轴突。最后，他还遇到了他未来的妻子，一位洛克菲勒研究所教授的女儿。就短短一年时间来说，他的收获着实不小呢！

霍奇金和赫胥黎的第一个重大洞见诞生于1939年，他们前往位于英国普利茅斯的海洋生物站，研究动作电位如何在乌贼的巨大轴突中产生。英国神经解剖学家约翰·扬不久前发现，乌贼作为海洋中游动速度最快的动物之一，有着直径整整一毫米的巨大轴突，这相当于人体大多数轴突直径的约一千倍。它和一根纤细的意大利面差不多粗，可以通过肉眼观察到。扬是一名比较生物学家，他了解动物会进化出特化器官来确保自己在其环境中更有效地生存，他同时也意识到乌贼那用于快速逃离捕食者的特化轴突，是给生物学家的天赐之物。

霍奇金和赫胥黎立即感到乌贼的巨大轴突可能正是他们追逐神经科学家的梦想所需要的，因为它使得在细胞的内部和外部记录动作电位，从而揭示动作电位如何产生成为可能。因为这条轴突很大，他们可以做到将一个电极插入细胞质，同时将另一个置于细胞外部。他们的记录证实了伯恩斯坦的推测，即静息膜电位是–70毫伏，以及它依赖钾离子在离子通道中的流动。然而，当他们和伯恩斯坦一样用电刺激轴突来产生动作电位时，他们很惊奇地发现动作电位的振幅是110毫伏，而不是伯恩斯坦所预测的70毫伏。动作电位把细胞膜的表面电位从–70毫伏增加到了峰值时的+40毫伏。这一惊人的与预测不符之处有着意义深远的启示：伯恩斯坦关于动作电位表征着细胞膜对所有离子的通透性失效这一假说是错误的。细胞膜在动作电位产生时一定仍然是选择性地允许一部分而非其他离子通过。

这是一个非凡的洞见。动作电位是将感觉、思维、情绪和记忆等信息从脑中一处传导到另一处的关键信号，因此在1939年，动作电位如何产生这一问题成了整个脑科学的核心问题。霍奇金和赫胥黎对这一问题进行了深入思考，然而，他们还没来得及用实验方式验证任何想法，第二次世界大战就爆发了，两人都应征入伍。

直到1945年，两人才重新拾起他们关于动作电位的研究。在与伦敦大学学院的伯纳德·卡茨短暂共事期间（当时赫胥黎在为结婚做准备），霍奇金发现上行——动作电位的上升部分——取决于细胞外液钠离子的数量，下行——动作电位的下降部分——则受到钾离子浓度的影响。这一发现表明，细胞中的某些离子通道对钠离子具有选择通透性，并且只在动作电位上行阶段开放，其他离子通道则只在下行阶段开放。

为了更直接地检验这一想法，霍奇金、赫胥黎和卡茨在乌贼的巨大轴突上使用了电压钳，这是一项新开发的用于测量跨膜离子电流的技术。他们再次证实了伯恩斯坦的发现，即静息电位是由细胞膜两侧钾离子分布不均所致。此外，他们还证实了自己早先的发现，当细胞膜受到充分刺激时，钠离子会在千分之一秒内流入细胞，将内部电压从–70毫伏变为+40毫伏，使得动作电位上升。在钠离子内流之后，紧接着就会出现钾离子外流的显著增加，使得动作电位下降，细胞内电压回到其初始值。

细胞膜如何调控钠离子和钾离子通透性的变化？霍奇金和赫胥黎假定存在先前没有想到过的一种离子通道，这种通道具有可开关的“门”或“闸”。他们认为在动作电位沿着轴突传导的过程中，钠离子和钾离子通道大门会迅速地相继打开和关闭。霍奇金和赫胥黎还意识到，由于门开和关的速度都非常快，这些门必须由跨膜的电压差调控。他们因此将这些钠离子和钾离子通道称作电压门控通道。相应地，他们将伯恩斯坦发现的产生静息膜电位的钾离子通道称作非门控钾离子通道，因为它们没有门，也不受跨膜电压的影响。

当神经元处于静息状态时，电压门控通道是关闭的。当一个刺激充分地降低了细胞的静息膜电位，比如从–70毫伏降到–55毫伏时，电压门控钠离子通道会打开，钠离子冲进细胞，造成正电荷短暂但显著的飙升，使得膜电位从–70毫伏变为+40毫伏。作为对这一膜电位变化的反应，钠离子通道随即关闭，电压门控钾离子通道短暂开放，增加带正电钾离子的外流，并迅速让细胞回到其静息状态的–70毫伏（图5-5）。

每一个动作电位最终都使得细胞内留下了超出最适状态的钠离子，而细胞外则留下了超出最适状态的钾离子。霍奇金发现这种不平衡是通过一种蛋白质得到纠正的，它将多余的钠离子运出细胞，并将钾离子运回细胞。于是，钠离子和钾离子的初始细胞浓度梯度得以重新建立。

一旦在轴突的一个区域产生了动作电位，它产生的电流将使毗邻区域兴奋，产生一个新的动作电位。如此产生的链反应确保动作电位从它产生的地方沿着整条轴突传导到毗邻另一个神经元（或肌肉细胞）的终端。通过这种方式，视觉体验、运动、思维或记忆的信号得以从一个神经元传递到另一个神经元。

凭借这一现在被称作离子假说的研究，霍奇金和赫胥黎分享了1963年的诺贝尔生理学或医学奖。霍奇金后来说道，这项荣誉应该归乌贼所有，是它的巨大轴突让他们的实验成为可能。不过这种谦逊忽视了两人提出的非凡洞见，这一洞见给了整个科学界——其中就包括像我这样的新入行者——以信心，让我们相信科学界可以在一个更深的水平上理解脑中的信号传导。

当科学家们将分子生物学运用到脑科学领域之后，他们发现电压门控钠离子和钾离子通道实际上都是蛋白质。这些蛋白质横跨细胞膜的两侧，包含一个充满液体的通道，即离子孔，离子可以从中穿过。离子通道存在于身体里包括神经细胞在内的每一个细胞，而且它们都分享伯恩斯坦提出的那种产生静息膜电位的机制。

与先前的神经元学说一样，离子假说也增强了脑细胞生物学与细胞生物学其他领域的联系。它提供了神经细胞可以通过物理学原理得到解释的最终证明，且这些原理为所有细胞共享。最为重要的是，离子假说为在分子水平上研究神经信号传导机制奠定了基础。离子假说的普遍性和预测能力统合了神经系统的细胞学研究：它对神经元的细胞生物学研究做出的贡献，可以与 DNA 结构在其余生物学研究中做出的贡献相提并论。

离子假说确立51年后的2003年，洛克菲勒大学的罗德里克·麦金农获得了诺贝尔化学奖，他的贡献是取得了第一张组成两种离子通道——非门控钾离子通道和电压门控钾离子通道——的原子三维图像。麦金农对这两种蛋白质高度原创性的结构分析所揭示出的若干特征，正与霍奇金和赫胥黎当年大胆预测的图景高度吻合。

既然细胞膜离子通道中的离子运动对神经元的运作至关重要，而神经元的运作又对心智的运作至关重要，那么，离子通道蛋白质的基因发生突变会导致疾病，这一点就不足为奇了。1990年，查明人类遗传疾病背后的分子缺陷已经变得相对容易了。其后不久，科学家们又接连鉴别出了导致肌肉和脑神经疾病的几种离子通道缺陷。

这些疾病现在称作通道病，或离子通道功能障碍。比如，研究表明家族性特发性癫痫，即一种发生于新生儿身上的遗传性癫痫，与编码钾离子通道的基因突变相关。近年来对通道病以及针对它们的专门治疗方案的探索进展，都直接得益于我们已经掌握的离子通道功能的基础科学知识，霍奇金和赫胥黎在这一点上做出了很大贡献。 dXb5YmE+pKSnIZJGOWiK/sOY/6ssQqRbg71ws+4FbAe9aK95l3Itro8XltVEw2QY