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图1 阿德里安
古代人们相信人的精神活动源于体内运行的一种神奇的“精气”。无论心智所在地是脑还是心，至少神经是某种中空的“管道”。然而1674年，列文虎克用刚发明不久的显微镜观察牛视神经的断面时并未发现任何空心的管道。于是“精气”运行说遭到了前所未有的质疑。那么，信息是如何在神经元内部传播的呢？从意大利医生伽伐尼到德国生物学家伯恩斯坦，科学家已经认识到神经元内部的传播靠神经电脉冲。英国生理学家阿德里安是首批对神经脉冲研究做出重大贡献的学者之一。
阿德里安生于 1889 年，祖上是胡格诺派教徒难民，他们在圣巴托洛缪大屠杀后从法国或佛兰德斯逃到了英国。他的父亲、祖父和曾祖父都是公职人员。
1908年，阿德里安进入剑桥大学三一学院学习。剑桥大学当时的科学课程安排与今天的相仿，分成两个阶段。第一阶段需要将近两年的时间，基础较好的学生在此阶段选修3或4门课程，然后进入第二阶段进行专业学习，大概需要一年时间。阿德里安在第一阶段选读了5门课程：物理学、化学、生理学、解剖学和植物学，各门成绩均为优秀。据说他从来不去听植物学的课，但还是在该课程上得了高分。他的导师弗莱彻（Walter Morley Fletcher）在写给阿德里安在威斯敏斯特念书时的前校长詹姆斯·高（James Gow）的一封信中对他赞誉有加。 ［1］ 这封信的原文如下：
亲爱的高博士：
毫无疑问，您已经知道阿德里安以全优的成绩通过了自然科学的学位考试。我想您会乐于知道他的表现可以用卓异一词来形容。这是我从主考官那里私下得知的。大多数人在学位考试中选考3门课，有些人选考了4门课，不过在第4门课上都得了低分。阿德里安选考了5门课，第5门课他仅读了一年，这门课也是他读得最差的一门，但是他的分数依然比大学里任何一个选修此课的学生的分数都要高。即使去掉他成绩相对较好的两门分数，仅计算剩余3门分数，他的成绩依然位列前茅。他学位考试的总分，比我记忆所及的以前的最高分高出30%左右。
阿德里安是在没有做任何所谓补习的情况下做到这一点的。当然，他一直在按部就班地工作，但还是有大量时间对许多课外知识和业余活动感兴趣。我现在发现最尴尬的是不知道该建议他往哪个方向发展，因为他在这么多不同的方向都有一流的能力。如果他的原创能力也与他的接受能力相当，他应当能在医学科学方面做出巨大贡献。请相信我。
您真诚的
W. M.弗莱彻
1910年6月22日
在第一年结束时，阿德里安就获准参加剑桥大学的自然科学俱乐部。这是一个要求严格的精英团体，其时已有100多年的历史，其成员都是本科生或学士，每周六晚上都要举行讨论会。虽然每个时期的成员几乎超不过15人，但如果把其中后来成了皇家学会会员的成员名单列出来，可以罗列长长的一串。在第二阶段，他选了生理学作为专业，不出所料，他在1911年又取得了优秀的成绩，并获得进一步读研究生的资格。
在三一学院学习期间，阿德里安很幸运遇到了名师卢卡斯（Keith Lucas）。卢卡斯的研究方向是神经和肌肉的特性。1911年起，阿德里安就在卢卡斯的指导下进行实验研究。
虽然人们早就发现了肌纤维服从全或无定律，即如果刺激超过一定的阈值，肌纤维就全力收缩；如果刺激低于阈值，那么它不会发生任何收缩。然而在20世纪初，人们对神经是否也有全或无的现象还一无所知。1909年，卢卡斯做的一个实验打开了认识的大门。卢卡斯通过一条只包含几根运动神经纤维的神经刺激一小块肌肉，其中每根神经支配着大约20根肌纤维，他发现肌肉的反应有4或5个相对较大的“台阶”，这提示神经纤维和肌肉纤维都服从“全或无”规律。
科学上的范式转换常常以技术上的突破为前导。在前文中我们已经看到，正是由于高尔基发明了以他名字命名的染色法，才导致卡哈尔建立起神经元学说，奠定了神经科学的基础。肌肉收缩由于其力量比较大，收缩过程比较慢，所以可以用传统的烟熏记纹鼓技术进行记录，但是这种技术对微弱而又变化迅速的神经电活动就不再合适了。当时人们所用的弦线电流计，在这两方面也同样存在缺陷，特别是要想记录单根神经纤维上微弱而又快速变化的电活动，就亟须新的技术。1916年，卢卡斯因飞机失事而不幸去世。就在失事的前几个星期，卢卡斯曾和阿德里安谈起过用当时刚发明不久的电子管放大神经动作电流的巨大可能性。遗憾的是，当时第一次世界大战战斗方酣，而卢卡斯不久又去世了，此事就被耽搁了。不过，阿德里安并未把它抛于脑后。
阿德里安在取得医学学位后，因为战争需要就到伦敦圣巴塞洛缪医院从事临床工作了，治疗患有神经损伤和神经紊乱的士兵，直到战事结束。1919年 1月 31日，他才重操旧业，并被任命为剑桥大学三一学院的自然科学讲师。同年3月，他刚回到科学研究岗位一个多月时，在给美国哈佛大学的生理学家福布斯（Alexander Forbes）的一封信中写道：“用电子管放大电反应的想法似乎是个好主意……”福布斯于 1921年 5月 21日抵达英国，到阿德里安的实验室进行访问研究，一直待到10月底。在阿德里安的建议下，福布斯带来了一些电子管，并造了一台单级放大器，配合弦线电流计使用。新事物的成长很少会一帆风顺，由于思想上的惰性以及由此形成的思维定式，再加上人们已经在旧技术上投入了大量的金钱、时间和精力，如果不是出于必需，人们往往不愿意彻底抛弃自己已经驾轻就熟的旧技术，而从头开始采用一项前途未卜的新技术。即使像阿德里安那样对新技术相当敏感的大师也未能免俗。所以，虽然他很早就认识到了电子管放大器的潜能，但是在开始时，他还是专注于自己用老方法所做的实验，在经过 3—4年的举步维艰之后，他才下定决心建立起多级电子管放大器进行研究。正是阿德里安和后文要讲到的哈特兰等一批对电子学新技术敏感且将其应用到神经科学研究中来的神经科学家，才开辟了神经电生理学的新时代。
如前所述，当时人们已经有证据说明不仅肌纤维，而且运动神经也服从全或无定律。于是，阿德里安和福布斯就向自己提出了一个问题：感觉神经是否也服从全或无定律？通过实验，答案是肯定的。关于这一发现以及他如何最后转向运用多级电子管放大器的历史，阿德里安后来写了一篇相当详细的回忆文章：
那是在20年代初，我……花了大量的时间用弦线电流计记录动作电流，希望能够由此真正搞清楚当肌肉收缩时神经纤维中究竟发生了什么。我们当时知道，神经发出许多神经冲动作为信号，但我们对这些脉冲怎样一个接一个的发送方式一无所知。我们不知道它们是以高频率出现，还是以稳定的频率出现。我们不知道频率是否在变化。事实上，我们根本不知道这些神经信号是如何被控制的。福布斯曾经在剑桥和我一起工作过一段时间，我从他那里学到了很多有关弦线电流计和哺乳动物标本的知识，但我开始时做的那些实验越来越难于得出结论。你一定也知道此类情况——事情变得越来越复杂，证据越来越间接，一段时间后，很明显我根本就没有取得任何进展。但当时有一点变得相当清楚，即电子管放大器将使动作电位的记录变容易，特别是当动作电位非常小的时候，而且当时已经有了对各种电子管放大装置的描述。加瑟（Gasser）和纽科默（Newcomer）用一个三级放大器记录了膈神经的动作电位。我曾安装了一个单电子管的放大器，但效果不好，所以在无路可走的情况下，我写信给加瑟，向他请教他用来记录膈神经的装置的种种细节。当时，他正忙于用阴极射线示波器来研究不同大小的神经纤维的动作电位，但他还是给了我一份关于他和纽科默使用的放大器的完整描述，我也就依样复制了一台。
我对电子管放大器所知甚少，而且也相当害怕其中的种种复杂问题。当放大器造好后，我决定用实验室里的毛细管电测仪来对放大器进行测试，而那台毛细管电测仪还是由卢卡斯在15年前建造的呢。……在使用放大器时必须十分小心，因为当时的电子管噪声很大。我造的放大器的放大倍数大约为2000倍，所以我在一个屏蔽室中用了一对非极化电极，并把生理研究中常用的青蛙的神经肌肉标本放到电极上，看看是否能得到一根稳定的基线。当我发现基线一点也不稳定时，我很苦恼，但并不感到十分惊讶。它一直在快速振荡。一旦接通电路，就会出现这种持续的快速振荡，我自然会怀疑记录到的是不知从哪里来的伪迹。我觉得应该把整个仪器撤下来，重装一遍，这样又花了一个月左右的时间，其间，得不到任何结果。
我开始重新调整仪器，然后我发现，有时有振荡（精细而快速），有时基线相当稳定。我看到了一线希望，在尝试了各种安排之后，我发现只有当肌肉从蛙神经-肌肉标本的膝关节处自由垂下时，才会有这种小小的振荡。如果肌肉被平放在一块玻璃板上，就根本没有振荡，基线相当稳定。我突然想明白了个中原因，这真是我经历过的极为高兴的一个时刻。如果你用心想一想，一块被拉伸的肌肉，一块受自身重量而下垂的肌肉，从肌梭发出的神经应该上传感觉冲动，告知中枢肌肉受到了拉伸。当你放松被拉伸的肌肉时，当你托住它时，这些冲动就应该停止了。
我想花不了一个多小时就能证明这就是产生这些小振荡的原因。我能够对它们进行拍照记录，在大约一个星期内，我几乎可以肯定，这些振荡中有许多是来自神经中的感觉纤维的动作电位，更重要的是，它们中有许多来自单根神经纤维。如果对这一技术加以改进，应该有可能发现，当与单根神经纤维相连的感觉器官受到刺激时，这根神经纤维中会发生些什么。
我想，那一天的工作具有人们所能希望的所有因素。新仪器看上去好像表现得非常糟糕，而突然间我才发现它表现得太好了，它开辟了一个全新的数据范围。我曾经为一系列毫无用处的实验所困，突然柳暗花明又一村，对于许多我曾搁置一边，认为它们超出了人们可以使用的技术范围的问题，有了获得直接证据而不是间接证据的前景，以及关于各种问题的直接证据。由此得到的另一点教益是，正如我所说，这并不涉及任何特别的艰苦工作，也和我是否特别聪明无关。这是实验室里有时会发生的事情之一，如果你把仪器连接好了，接着就看看你会得到什么结果。 ［2］
实验的成功，使阿德里安如痴如醉。1925年夏，他从瑞士写信给福布斯，说他醉心于放大器，甚至都不想度假了。上文是在 1954年发表的，事隔 30年，在有关日期的记忆上难免有不准之处，所以文首所说的20年代初虽然就福布斯来访一事来说并没错，但是文中所说的那个关键实验实际上是在 1925年上半年做的。 ［1］ 关于他们在那一阶段的工作，阿德里安后来总结道：“在证实了肌肉纤维的全或无定律之后，很快就有大量证据表明，它对神经纤维也适用。在每根神经纤维中传送神经信息的所有脉冲的大小都固定不变。”在卢卡斯和阿德里安的工作之前，没有人清楚神经冲动是一种“全或无”事件，其中传播的能量来自神经，而不是来自刺激。神经冲动的传导就像火药引线的燃烧，其传播的能量来自引线，而不像声波的传播，其能量来自声源。既然如此，单个神经脉冲就不携带有关刺激的信息，那么神经又怎样上传有关刺激的信息呢？这正是阿德里安下一步要着手的工作。
这一工作主要是他和从瑞典来的索特曼（Yngve Zotterman）一起进行的。
1925年9月22日，索特曼来到阿德里安的实验室工作。他们分离出蛙胸皮肌肉中的一个对拉伸敏感的感受器，然后研究当牵伸肌肉时单个感觉神经纤维中的脉冲序列。结果发现，拉伸引起有规律的脉冲放电，所有的脉冲大小相同，但频率随刺激强度而变化。
他们还研究了由触摸和压力引起的冲动。他们由这些工作中所得出的一般性结论可以用下面几句话来加以总结：在单根神经纤维中，神经脉冲是不变的，不随刺激的性质或强度而改变；感觉强度取决于放电频率和作用的纤维数量，而有关刺激性质的信息则取决于被刺激的神经纤维类型的中枢连接。他们的另一个非常重要的发现是，对稳定刺激的适应起源于外周，有些感觉器官，如与触觉有关的器官，适应很快，而另一些感觉器官，如肌梭，则适应很慢，或者可能根本就不适应。说得通俗一点，为什么通常我们对所穿的衣服没有什么感觉呢？这并不是因为脑习惯了恒定不变的神经脉冲流，而是因为皮肤中的触觉末梢迅速适应了，只有当局部压力或接触发生变化时才发放脉冲。
20世纪 20年代是阿德里安科学生涯中贡献最多的年代。1923年年初，他当选为皇家学会会员。1926—1936年，他担任《生理学杂志》（ Journal of Physiology ）的编委。1932年，他和谢灵顿分享了诺贝尔生理学或医学奖。
图2 刺激、感觉信息和知觉之间的关系 ［3］
1926 年秋，阿德里安和埃克哈德［Rachel Eckhard，婚后改姓马修斯（Matthews）］合作研究视觉。下面是他对其发现的一段自述：
有一次，我在对蟾蜍视网膜做实验时，我在其视神经上安放了电极。房间里几乎一片漆黑，令我感到惊奇的是，我听到连接放大器的扬声器里不断有声音发出，这些声音表明正有大量的脉冲发放。直到我把这些声音与我自己在房间里的运动进行比较之后，我才领悟到我是在蟾蜍眼睛的视野里，而它正在发出我在做什么的信号。
他们观察到的一个出乎预料的视神经反应是“撤光反应”，即如果照明超过一秒，那么在关灯时就会重新爆发出一串脉冲。他们还发现，视网膜对照明变化的敏感性相对较高，视野中的光影运动是一种比稳定照明更有效的刺激模式。这些都为以后的视觉研究提供了线索。可惜的是，阿德里安觉得视觉过于复杂而没有进一步深入下去，本来有可能发现的侧抑制现象和带有抑制性外周的感受野要再过20—25年才被发现。
在马修斯加入他的小组之前，阿德里安的所有实验都是用放大器和毛细管电测仪完成的。虽然他们也尝试过其他技术，但都不理想。马修斯在实验设备方面贡献巨大，她的示波器是一种简单、可靠和相对便宜的仪器，成为记录自然发生的神经脉冲的理想工具。这种仪器使阿德里安、马修斯、布朗克（Detlev W. Bronk）、哈特兰等人能得到非常漂亮的记录，这些记录至今还转载在许多教科书之中。马修斯还是最早开发“推挽式”放大器及多通道墨水记录仪的人之一，这两项创新对于阿德里安和马修斯在20世纪30年代初共同进行的脑电研究都很重要。他们后来在痛觉、大脑皮层感觉区的空间分布、脑电和嗅觉方面也有不少发现。
在他的第二本书《神经动作的机制》（ The Mechanism of Nervous Action ）的结尾，阿德里安说道：
在自然科学的所有分支中，都有两种研究方法：一种是战略家采用的，他可以设计一系列的关键性实验，通过某种黑格尔式的辩证法来揭示真理；另一种是经验主义方法，他只是四处寻找，看看能找到些什么。而电学技术的发展提供了一种新的观察方法，在神经系统中发生了如此多的事情，以至于很难抵制记录任何发现的诱惑。这种方法的优点是，它表明在神经系统不同部分的活动中有许多意想不到的相似性，但它给我们的只是事实而不是理论，而且这些事实可能并不总是很有意义的。
阿德里安本人大概属于后者。诺奖得主霍奇金在一篇纪念他的传记文章中写道：
令人高兴的是，他带着他的放大器一往无前，开辟了整整一个领域，在接下来的30年里结出了丰硕的果实。在这段时期里，他的著作中充满了原创性的结论，但这些想法似乎是从实验中自然产生的，而不是由某个坐在密室中、面前摆着一张白纸的假想天才凭空捏造出来的。 ［1］