撰文 | 杨奔（美国西北大学）
前两期（第一期：生产贵族紫的染料工厂里，诞生了精神分裂症的解药；第二期：治疗帕金森：大脑深处，一颗核桃大小的谜团），我们介绍了上世纪50年代，化学染料工业的发展意外地带来了三个新的抗精神疾病药物，以Arvid Carlsson为代表的神经科学家对它们的研究发现抗精神疾病药物都作用于大脑多巴胺系统，并最终发现多巴胺是种新的神经递质；到了60年代，Oleh Hornykiewicz等人对帕金森症相关的研究发现，在病人纹状体脑区里多巴胺消失了，而通过其前代谢物左旋多巴（levodopa，L-DOPA）来补充多巴胺则可治疗帕金森症，说明多巴胺是种重要的神经递质；再后来70-80年代，Mahlon DeLong等人对猴子大脑活体记录的研究，发现纹状体的功能在于它投射的两条通路，一条直接通路促进运动（Go），一条间接通路抑制运动（NoGo）；最终在90年代，基于Go/NoGo模型、由毒品意外发展而来的新的帕金森症动物模型和人体手术，发现通过深脑刺激来抑制通路中的一个核团也能治疗帕金森症。
这便是帕金森症最主要的两个治疗方法：左旋多巴和深脑刺激的由来。那么最后的关键问题是70-80年代的另一个研究突破：多巴胺在纹状体中释放，是怎样调控运动的？或者说，它是怎么调控纹状体直接和间接通路细胞活性的呢？
神经细胞的两大特征
20世纪初，科学界发生了两件大事。一是爱因斯坦在他的“奇迹年”1905年，发表了四篇文章，讨论了光电效应、布朗运动、侠义相对论和著名的质能方程（E=mc2）。另一件是次年1906年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了对神经细胞形态的研究，该研究在神经科学领域的重要性不亚于爱因斯坦“奇迹年”在物理学上的重要性。
19世纪上半叶，显微镜的发明让我们认识到所有动植物组织都由细胞组成。但神经系统是否也是如此仍存在争议。19世纪下半叶，西班牙神经解剖学家卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal）用高尔基染色法，细致地观察和描绘了发育中及成熟的神经系统的各个部分，认为神经系统也是由独立的神经细胞组成，只不过神经细胞除了拥有细胞体（soma）外还有轴突（axon“手”）和树突（dendrites“脚”）从细胞体延伸出来。神经细胞之间主要是通过“手脚”相连进行交流，神经细胞的树突“脚”接受信号，而轴突“手”则输出信号。1891年，德国解剖学家Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Harz结合卡哈尔及其他人的研究，正式提出“神经元学说”1（“neuron doctrine”，神经元即神经细胞，Waldeyer-Harz还命名了染色体chromosome）。
然而当时的主流学说则认为，神经系统是由连续的神经网络构成的，而非一个个单独的神经细胞组成的。讽刺的是，神经网状理论（reticular theory）最坚决的捍卫者便是发明高尔基染色法的高尔基（Camillo Golgi）。高尔基和卡哈尔共享了1906年的诺贝尔生理学或医学奖，但他俩谁也看不上谁，这可能是史上最尴尬的一届颁奖典礼。
图1. 1906年诺贝尔生理学或医学奖的两位得主。左：高尔基；右：卡哈尔。（图片来源自诺奖官网截图）
著名神经科学家查尔斯·谢灵顿爵士（Sir Charles Scott Sherrington）在研究神经系统之前曾对传染病和疫苗感兴趣，并和好友结伴去西班牙和意大利做短期游学。大概是在这次游学中，谢灵顿接触了卡哈尔的研究（至于谢灵顿是否有和卡哈尔见面在他不同弟子和朋友的回忆录中有冲突）。后来1894年谢灵顿请他的导师Sir Michael Foster邀请卡哈尔来剑桥做报告。卡哈尔在访问剑桥期间就住在谢灵顿家，两人对神经科学有过深入的交流。根据卡哈尔的学说，神经细胞“手脚”相连之处必定有一个功能间隙。1897年，Foster在出版经典生理学教材Textbook of Physiology时叫谢灵顿写神经系统的章节，为方便描述这一功能间隙，谢灵顿首次将神经细胞相连之处正式命名为“突触”（synapse）2-3。
1904年谢灵顿受邀去耶鲁大学（Yale）做了十场讲座，两年后，在卡哈尔获诺奖的那一年，谢灵顿将讲座内容整理出书The Integrative Action of the Nervous System。谢灵顿在前人的基础上系统地研究了神经反射，比如大家都熟悉的敲一下膝盖小腿会抖一下的膝跳反射。神经信号在神经细胞间通过突触传输，有兴奋的，有抑制的，最后通过肌肉输出（运动神经细胞与肌肉纤维连接不叫突触，叫神经肌肉接头neuromuscular junction，NMJ），这便是反射。这个过程中信号在整个反射弧中进行单极传递。谢灵顿除了自己的研究外，更重要的可能是综合前人的研究，提出这套整合（integrative）的反射弧理论。
如果将卡哈尔的学说理解为“解剖神经元学说”，研究神经细胞的形态特征——通过“手脚”相连，那么谢灵顿的学说可以理解为“生理神经元学说”，研究神经细胞的功能特征——通过放电引起反射。谢灵顿的学说推动了后世对单个神经细胞生理功能的研究，举两个例子：1967年和1981年的诺奖颁给了研究视网膜和视觉皮层细胞如何编码特定的视觉信息，主要贡献者包括下文提到的Hartline（1967年诺奖）、Kuffler（没有获诺奖）、Hubel和Wiesel（1981年诺奖）等人；2014年的诺奖搬给了研究“位置细胞”（place cell）和“网格细胞”（grid cell）如何编码特定的空间位置信息。
谢灵顿的好友阿德里安男爵一世（Lord Edgar Douglas Adrian）大概是最早做单神经纤维记录的人，他发现神经纤维和肌肉纤维一样，以“全或无”形式放电（其导师Keith Lucas研究肌肉收缩的“全或无”规律），即刺激达到一定阈值后才会引起神经放电或肌肉收缩，增强刺激并不能让放电或收缩更强，阈值以下的刺激则不能引起放电或收缩。谢灵顿和阿德里安因对神经细胞功能的研究共享了1932年的诺贝尔生理学或医学奖。
图2. 1932年诺贝尔生理学或医学奖的两位得主。左：查尔斯爵士；右：阿德里安男爵一世。（图片源自诺奖官网）
阿德里安的弟子Sir Alan Hodgkin在游学美国期间学习了以枪乌贼巨大的神经纤维（即轴突“手”）为模型，研究神经细胞放电的方法（枪乌贼大轴突模型的建立使神经科学家实现细胞内记录，之前的研究都是细胞外记录）。而后Hodgkin和他的弟子Sir Andrew Huxley一起将电极插入到枪乌贼大轴突里记录电流电压变化，将记录的数据来推算数学公式，最终提出了经典的Hodgkin-Huxley模型，分五篇长文于1952年发表在经典的生理学期刊The Journal of Physiology上4-8。
生理学期刊
经典的生理学期刊是由谢灵顿的导师、剑桥大学三一学院（Trinity College， Cambridge）生理系首任系主任Sir Michael Foster爵士于1878年创办，但曾因资金问题差点停刊。后来Foster的另一位弟子、也是谢灵顿的另一位导师John Langley解决了资金问题，成为期刊持有人并接替Foster做为编辑。Langley对期刊设立了极高的标准，审稿极其苛刻，使其成为生理学领域内的顶级期刊。直到Langley去世后，生理学学会（Physiological Society）从Langley遗孀那收购了该期刊，成立了编辑团队，由谢灵顿任主编。后来随着生物化学、分子生物学、遗传学等学科的发展，经典生理学的黄金时代的逝去，到现在生理学期刊的影响因子已经不高，但仍然是一些老一辈生理学家最喜欢的期刊，并将主要成果发表于此。
简单来说，细胞膜的双层磷脂结构（中间疏水两边亲水）既是个电阻（导电差）又是个电容（可储存电荷）。细胞膜上含离子通道蛋白（当时还只是猜想），当蛋白发生构象改变，电阻下降，电导上升，可允许特定的离子通过。带电的离子在膜两边穿梭，就形成了电流，改变了细胞内的电压（V=IR，电压等于电流和电阻的乘积）。胞内电压的上升下降便是神经细胞放电的本质。
图3. Hodgkin-Huxley关于细胞膜的电路模型8。图中的长方形表示一段细胞膜。
解读Hodgkin-Huxley模型
Hodgkin和Huxley的五篇长文是电生理学必读经典。美国西北大学著名电生理学家、美国艺术与科学学院院士Indira Raman曾说：
我这辈子只相信三样东西：Hodgkin、Huxley和数学。
Indira对Hodgkin和Huxley五篇长文的解读是笔者这辈子上过最有意思、最发人深思的课。去年因疫情隔离居家期间，Indira和她爱人、西北大学荣誉退休教授David Ferster整理了多年课件和授课经验，写了一本对Hodgkin-Huxley模型解读的书，The Annotated Hodgkin and Huxley: A Reader’s Guide，将于明年年初上市，笔者强烈推荐给对电生理感兴趣的读者。
Hodgkin、Huxley和谢灵顿最有名的弟子Sir John Eccles爵士共享了1963年的诺贝尔生理学或医学奖（Eccles的故事详见下文）。谢灵顿、阿德里安、Hodgkin、Huxley和下文会提到的Sir Henry Dale爵士都曾担任过英国皇家学会会长，早于谢灵顿200年前担任该职位的是艾萨克·牛顿爵士。
图4. 1963年诺贝尔生理学或医学奖的三位得主（说实话，Hodgkin很帅，不信看下图）。（图片源自诺奖官网）
图5. 年轻的Alan Hodgkin。（图片来源自National Portrait Gallery）
Greengard的求学之路
1949年，H. Keffer Hartline（后因对视觉信号传导的研究获1967年诺贝尔生理学或医学奖）任约翰斯·霍普金斯大学（Johns Hopkins）生物物理系首任系主任，邀请Hodgkin过来做报告。Hodgkin报告了尚未发表的Hodgkin-Huxley模型。台下坐着Hartline实验室的一个博士新生，这个新生在大学里拿到了数学和物理双学位，二战期间曾在麻省理工（MIT）设计雷达，预警日本神风敢死队的自杀性袭击。
他本来是立志要做物理学家，但当时美国唯一给奖学金的物理专业是核物理，他不想自己将来的研究成果是让美国在地球上再投一颗原子弹，于是他转到约翰斯·霍普金斯大学学习新兴的生物物理。坐在台下的他，跟Raman一样深深地被Hodgkin-Huxley模型所吸引。它美到让人敬畏，甚至可能还会有一丝绝望，觉得这辈子已经不可能有人在电生理学上做出比这更重要的工作了。这个年轻人想，我必须将电生理和生物化学、分子生物学等方法结合，才可能做出重大发现。
这个年轻人叫Paul Greengard。
图6. 年轻的Paul Greengard。（图片来源自洛克菲勒大学新闻网）
当时，生物化学领域确实已经比较成熟。1923年，加拿大医生Frederick Banting因证实胰岛素在糖代谢中的作用，并促成糖尿病的治疗而成为史上最年轻的诺贝尔生理学或医学奖得主；1937年，Albert Szent-Györgyi因发现维生素C和生物化学经典的三羧酸循环系统中的反丁烯二酸而获诺贝尔生理学或医学奖，同年，Hans Krebs鉴定出柠檬酸是生物氧化呼吸反应的中间产物，填补并正式提出三羧酸循环系统。
20世纪30-40年代是生物化学的黄金年代，科里夫妇Carl Cori和Gerty Cori的系列研究阐明了糖原合成和代谢的途径，鉴定了其中多个生化反应酶，两人也因此获得1947年的诺贝尔生理学或医学奖，他们还培养了众多生物化学和分子生物学的领军人物，包括7名诺贝尔奖获得者，新晋诺奖得主David Julius也是Carl的徒曾孙。
分子生物学也马上就要迎来蓬勃发展。1944年，物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger）出版了《生命是什么》一书，试图从物理学的角度阐释生命的分子原子基础，吸引了一大批有志青年投身生物学研究；同时代另一位提出原子模型的物理学家玻尔（Niels Bohr）培养了一位对物理学感兴趣的学生转而学习生物，最终成为现代分子生物学奠基人的Max Delbrück （他又吸引了更多对物理感兴趣的学生投身到生物学研究中，包括DNA双螺旋发现者James Watson，用果蝇研究基因如何影响行为的Seymour Benzer，“网红”饶毅老师的导师、著名华人生物学家叶公杼、詹裕农Lily & Yuh-Nung Jan夫妇。连新晋诺奖得主Ardem Patapoutian也是他的徒曾孙）。
在Hodgkin来约翰斯·霍普金斯大学做报告的1949年，薛定谔和玻尔的弟子Linus Pauling （新晋诺奖得主David Julius也是他的徒曾孙）首次证明基因突变改变血红蛋白结构引起贫血；1951年Pauling提出蛋白质alpha螺旋和beta折叠结构，同年Frederick Sanger首次解析了胰岛素结构；1953年James Watson和Francis Crick解析了DNA双螺旋结构，同年，Krebs获诺贝尔生理学或医学奖，三羧酸循环也被称为Krebs循环。这一年，Greengard博士毕业。
毕业后，Greengard去欧洲游学了5年，期间生了俩娃。因英国科研经费相对短缺、对英国教育系统又不熟悉（娃要上学），再加上没有中央供暖，于是他又带着娃回到了美国。先在NIH工作了一年，然后去了Geigy药厂（同样起始于染料工业，现已并入诺华制药）做了几年部门主管。但药厂比较保守，想启动创新的项目非常苦难，工作不是很顺心，于是又回到学术界。在做了两个短期的访问学者后，终于于1968年，已经43岁的Greengard在耶鲁大学成立了自己的实验室。
人生没有白走的路。所有的经历，成功的、失败的，塑造了独特的你。Banting医生30岁时突发奇想，做了个实验，发现胰岛素（今年刚好是百年纪念），两年后成了史上最年轻的诺贝尔生理学或医学奖获得者。有人学医中途休了一年假去做实验，同时还娶了实验室的一个硕士生，几年后靠这个花一年时间边谈恋爱边做的博士课题获得了诺贝尔生理学或医学奖（没错，我说的是Joshua Lederberg）。也有人和Greengard一样43岁才成立实验室，他还曾因实验操作失误而弄瞎了一只眼睛，后因发现神经递质的回收（参考下文）获诺贝尔生理学或医学奖（这个人就是Julius Axelrod。）
Greengard成立实验室时已经43岁，但这并不妨碍他做出重要发现。成立实验室之前的这段经历对其后期的研究至关重要。期间他师从了多位名师，包括脑切片技术发明者之一Henry McIlwain（McIlwain曾师从紫色染料发明者、化学染料工业的祖师爷Sir William Henry Perkin爵士之子小Perkin的两位弟子Sir Robert Robnison和George Clemo。
这几个人都是著名的有机化学家，Robinson获1947年诺贝尔化学奖，也曾在阿德里安和Henry Dale之间担任英国皇家学会会长），线粒体氧化呼吸链的研究先驱Edward Slater骑士，结合生物化学、药理学和电生理方法研究神经递质的先驱Wilhelm Feldberg（Feldberg曾师从Henry Dale，共同推动了神经递质学说，详见下文），肿瘤化疗先驱老Alfred Z. Gilman（他儿子小Alfred G. Gilman, Jr因发现G蛋白而获1994年诺贝尔生理学或医学奖，那年Greengard也被提名了，但没获奖），科里Cori夫妇的三个弟子Sidney Colowick （在Cori夫妇指导下发现糖原代谢的磷酸化酶phosphorylase）、Earl Sutherland（发现糖元代谢细胞内信号通路中的“第二信使”环腺苷酸cAMP，并由此获1971年诺贝尔生理学或医学奖）、Sidney Udenfriend（生物实验室常用的分光光度计的发明者，在师从Cori夫妇之前曾师从过著名化学药理学家Bernard Brodie）。
所以在学术家谱上，Greengard算是既是Dale（生理学、药理学）、Cori（生物化学）和Brodie（化学药理学）的徒孙又是小Perkin（有机化学）的徒曾孙。如果把科学界比作金庸的江湖，Greengard就是集各家之所长之郭靖。
未完待续……
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