撰文 | 楊奔（美國西北大學）
前兩期（第一期：生產貴族紫的染料工廠里，誕生了精神分裂症的解藥；第二期：治療帕金森：大腦深處，一顆核桃大小的謎團），我們介紹了上世紀50年代，化學染料工業的發展意外地帶來了三個新的抗精神疾病藥物，以Arvid Carlsson為代表的神經科學家對它們的研究發現抗精神疾病藥物都作用於大腦多巴胺系統，並最終發現多巴胺是種新的神經遞質；到了60年代，Oleh Hornykiewicz等人對帕金森症相關的研究發現，在病人紋狀體腦區里多巴胺消失了，而通過其前代謝物左旋多巴（levodopa，L-DOPA）來補充多巴胺則可治療帕金森症，說明多巴胺是種重要的神經遞質；再後來70-80年代，Mahlon DeLong等人對猴子大腦活體記錄的研究，發現紋狀體的功能在於它投射的兩條通路，一條直接通路促進運動（Go），一條間接通路抑制運動（NoGo）；最終在90年代，基於Go/NoGo模型、由毒品意外發展而來的新的帕金森症動物模型和人體手術，發現通過深腦刺激來抑制通路中的一個核團也能治療帕金森症。
這便是帕金森症最主要的兩個治療方法：左旋多巴和深腦刺激的由來。那麼最後的關鍵問題是70-80年代的另一個研究突破：多巴胺在紋狀體中釋放，是怎樣調控運動的？或者說，它是怎麼調控紋狀體直接和間接通路細胞活性的呢？
神經細胞的兩大特徵
20世紀初，科學界發生了兩件大事。一是愛因斯坦在他的「奇蹟年」1905年，發表了四篇文章，討論了光電效應、布朗運動、俠義相對論和著名的質能方程（E=mc2）。另一件是次年1906年的諾貝爾生理學或醫學獎頒給了對神經細胞形態的研究，該研究在神經科學領域的重要性不亞於愛因斯坦「奇蹟年」在物理學上的重要性。
19世紀上半葉，顯微鏡的發明讓我們認識到所有動植物組織都由細胞組成。但神經系統是否也是如此仍存在爭議。19世紀下半葉，西班牙神經解剖學家卡哈爾（Santiago Ramóny Cajal）用高爾基染色法，細緻地觀察和描繪了發育中及成熟的神經系統的各個部分，認為神經系統也是由獨立的神經細胞組成，只不過神經細胞除了擁有細胞體（soma）外還有軸突（axon「手」）和樹突（dendrites「腳」）從細胞體延伸出來。神經細胞之間主要是通過「手腳」相連進行交流，神經細胞的樹突「腳」接受信號，而軸突「手」則輸出信號。1891年，德國解剖學家Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Harz結合卡哈爾及其他人的研究，正式提出「神經元學說」1（「neuron doctrine」，神經元即神經細胞，Waldeyer-Harz還命名了染色體chromosome）。
然而當時的主流學說則認為，神經系統是由連續的神經網絡構成的，而非一個個單獨的神經細胞組成的。諷刺的是，神經網狀理論（reticular theory）最堅決的捍衛者便是發明高爾基染色法的高爾基（Camillo Golgi）。高爾基和卡哈爾共享了1906年的諾貝爾生理學或醫學獎，但他倆誰也看不上誰，這可能是史上最尷尬的一屆頒獎典禮。
著名神經科學家查爾斯·謝靈頓爵士（Sir Charles Scott Sherrington）在研究神經系統之前曾對傳染病和疫苗感興趣，並和好友結伴去西班牙和義大利做短期遊學。大概是在這次遊學中，謝靈頓接觸了卡哈爾的研究（至於謝靈頓是否有和卡哈爾見面在他不同弟子和朋友的回憶錄中有衝突）。後來1894年謝靈頓請他的導師Sir Michael Foster邀請卡哈爾來劍橋做報告。卡哈爾在訪問劍橋期間就住在謝靈頓家，兩人對神經科學有過深入的交流。根據卡哈爾的學說，神經細胞「手腳」相連之處必定有一個功能間隙。1897年，Foster在出版經典生理學教材Textbook of Physiology時叫謝靈頓寫神經系統的章節，為方便描述這一功能間隙，謝靈頓首次將神經細胞相連之處正式命名為「突觸」（synapse）2-3。
1904年謝靈頓受邀去耶魯大學（Yale）做了十場講座，兩年後，在卡哈爾獲諾獎的那一年，謝靈頓將講座內容整理出書The Integrative Action of the Nervous System。謝靈頓在前人的基礎上系統地研究了神經反射，比如大家都熟悉的敲一下膝蓋小腿會抖一下的膝跳反射。神經信號在神經細胞間通過突觸傳輸，有興奮的，有抑制的，最後通過肌肉輸出（運動神經細胞與肌肉纖維連接不叫突觸，叫神經肌肉接頭neuromuscular junction，NMJ），這便是反射。這個過程中信號在整個反射弧中進行單極傳遞。謝靈頓除了自己的研究外，更重要的可能是綜合前人的研究，提出這套整合（integrative）的反射弧理論。
如果將卡哈爾的學說理解為「解剖神經元學說」，研究神經細胞的形態特徵——通過「手腳」相連，那麼謝靈頓的學說可以理解為「生理神經元學說」，研究神經細胞的功能特徵——通過放電引起反射。謝靈頓的學說推動了後世對單個神經細胞生理功能的研究，舉兩個例子：1967年和1981年的諾獎頒給了研究視網膜和視覺皮層細胞如何編碼特定的視覺信息，主要貢獻者包括下文提到的Hartline（1967年諾獎）、Kuffler（沒有獲諾獎）、Hubel和Wiesel（1981年諾獎）等人；2014年的諾獎搬給了研究「位置細胞」（place cell）和「網格細胞」（grid cell）如何編碼特定的空間位置信息。
謝靈頓的好友阿德里安男爵一世（Lord Edgar Douglas Adrian）大概是最早做單神經纖維記錄的人，他發現神經纖維和肌肉纖維一樣，以「全或無」形式放電（其導師Keith Lucas研究肌肉收縮的「全或無」規律），即刺激達到一定閾值後才會引起神經放電或肌肉收縮，增強刺激並不能讓放電或收縮更強，閾值以下的刺激則不能引起放電或收縮。謝靈頓和阿德里安因對神經細胞功能的研究共享了1932年的諾貝爾生理學或醫學獎。
阿德里安的弟子Sir Alan Hodgkin在遊學美國期間學習了以槍烏賊巨大的神經纖維（即軸突「手」）為模型，研究神經細胞放電的方法（槍烏賊大軸突模型的建立使神經科學家實現細胞內記錄，之前的研究都是細胞外記錄）。而後Hodgkin和他的弟子Sir Andrew Huxley一起將電極插入到槍烏賊大軸突里記錄電流電壓變化，將記錄的數據來推算數學公式，最終提出了經典的Hodgkin-Huxley模型，分五篇長文於1952年發表在經典的生理學期刊The Journal of Physiology上4-8。
生理學期刊
經典的生理學期刊是由謝靈頓的導師、劍橋大學三一學院（Trinity College， Cambridge）生理系首任系主任Sir Michael Foster爵士於1878年創辦，但曾因資金問題差點停刊。後來Foster的另一位弟子、也是謝靈頓的另一位導師John Langley解決了資金問題，成為期刊持有人並接替Foster做為編輯。Langley對期刊設立了極高的標準，審稿極其苛刻，使其成為生理學領域內的頂級期刊。直到Langley去世後，生理學學會（Physiological Society）從Langley遺孀那收購了該期刊，成立了編輯團隊，由謝靈頓任主編。後來隨著生物化學、分子生物學、遺傳學等學科的發展，經典生理學的黃金時代的逝去，到現在生理學期刊的影響因子已經不高，但仍然是一些老一輩生理學家最喜歡的期刊，並將主要成果發表於此。
簡單來說，細胞膜的雙層磷脂結構（中間疏水兩邊親水）既是個電阻（導電差）又是個電容（可儲存電荷）。細胞膜上含離子通道蛋白（當時還只是猜想），當蛋白發生構象改變，電阻下降，電導上升，可允許特定的離子通過。帶電的離子在膜兩邊穿梭，就形成了電流，改變了細胞內的電壓（V=IR，電壓等於電流和電阻的乘積）。胞內電壓的上升下降便是神經細胞放電的本質。
解讀Hodgkin-Huxley模型
Hodgkin和Huxley的五篇長文是電生理學必讀經典。美國西北大學著名電生理學家、美國藝術與科學學院院士Indira Raman曾說：
我這輩子只相信三樣東西：Hodgkin、Huxley和數學。
Indira對Hodgkin和Huxley五篇長文的解讀是筆者這輩子上過最有意思、最發人深思的課。去年因疫情隔離居家期間，Indira和她愛人、西北大學榮譽退休教授David Ferster整理了多年課件和授課經驗，寫了一本對Hodgkin-Huxley模型解讀的書，The Annotated Hodgkin and Huxley: A Reader’s Guide，將於明年年初上市，筆者強烈推薦給對電生理感興趣的讀者。
Hodgkin、Huxley和謝靈頓最有名的弟子Sir John Eccles爵士共享了1963年的諾貝爾生理學或醫學獎（Eccles的故事詳見下文）。謝靈頓、阿德里安、Hodgkin、Huxley和下文會提到的Sir Henry Dale爵士都曾擔任過英國皇家學會會長，早於謝靈頓200年前擔任該職位的是艾薩克·牛頓爵士。
Greengard的求學之路
1949年，H. Keffer Hartline（後因對視覺信號傳導的研究獲1967年諾貝爾生理學或醫學獎）任約翰斯·霍普金斯大學（Johns Hopkins）生物物理系首任系主任，邀請Hodgkin過來做報告。Hodgkin報告了尚未發表的Hodgkin-Huxley模型。台下坐著Hartline實驗室的一個博士新生，這個新生在大學裡拿到了數學和物理雙學位，二戰期間曾在麻省理工（MIT）設計雷達，預警日本神風敢死隊的自殺性襲擊。
他本來是立志要做物理學家，但當時美國唯一給獎學金的物理專業是核物理，他不想自己將來的研究成果是讓美國在地球上再投一顆原子彈，於是他轉到約翰斯·霍普金斯大學學習新興的生物物理。坐在台下的他，跟Raman一樣深深地被Hodgkin-Huxley模型所吸引。它美到讓人敬畏，甚至可能還會有一絲絕望，覺得這輩子已經不可能有人在電生理學上做出比這更重要的工作了。這個年輕人想，我必須將電生理和生物化學、分子生物學等方法結合，才可能做出重大發現。
這個年輕人叫Paul Greengard。
當時，生物化學領域確實已經比較成熟。1923年，加拿大醫生Frederick Banting因證實胰島素在糖代謝中的作用，並促成糖尿病的治療而成為史上最年輕的諾貝爾生理學或醫學獎得主；1937年，Albert Szent-Györgyi因發現維生素C和生物化學經典的三羧酸循環系統中的反丁烯二酸而獲諾貝爾生理學或醫學獎，同年，Hans Krebs鑑定出檸檬酸是生物氧化呼吸反應的中間產物，填補並正式提出三羧酸循環系統。
20世紀30-40年代是生物化學的黃金年代，科里夫婦Carl Cori和Gerty Cori的系列研究闡明了糖原合成和代謝的途徑，鑑定了其中多個生化反應酶，兩人也因此獲得1947年的諾貝爾生理學或醫學獎，他們還培養了眾多生物化學和分子生物學的領軍人物，包括7名諾貝爾獎獲得者，新晉諾獎得主David Julius也是Carl的徒曾孫。
分子生物學也馬上就要迎來蓬勃發展。1944年，物理學家薛丁格（Erwin Schrödinger）出版了《生命是什麼》一書，試圖從物理學的角度闡釋生命的分子原子基礎，吸引了一大批有志青年投身生物學研究；同時代另一位提出原子模型的物理學家玻爾（Niels Bohr）培養了一位對物理學感興趣的學生轉而學習生物，最終成為現代分子生物學奠基人的Max Delbrück （他又吸引了更多對物理感興趣的學生投身到生物學研究中，包括DNA雙螺旋發現者James Watson，用果蠅研究基因如何影響行為的Seymour Benzer，「網紅」饒毅老師的導師、著名華人生物學家葉公杼、詹裕農Lily & Yuh-Nung Jan夫婦。連新晉諾獎得主Ardem Patapoutian也是他的徒曾孫）。
在Hodgkin來約翰斯·霍普金斯大學做報告的1949年，薛丁格和玻爾的弟子Linus Pauling （新晉諾獎得主David Julius也是他的徒曾孫）首次證明基因突變改變血紅蛋白結構引起貧血；1951年Pauling提出蛋白質alpha螺旋和beta摺疊結構，同年Frederick Sanger首次解析了胰島素結構；1953年James Watson和Francis Crick解析了DNA雙螺旋結構，同年，Krebs獲諾貝爾生理學或醫學獎，三羧酸循環也被稱為Krebs循環。這一年，Greengard博士畢業。
畢業後，Greengard去歐洲遊學了5年，期間生了倆娃。因英國科研經費相對短缺、對英國教育系統又不熟悉（娃要上學），再加上沒有中央供暖，於是他又帶著娃回到了美國。先在NIH工作了一年，然後去了Geigy藥廠（同樣起始於染料工業，現已併入諾華製藥）做了幾年部門主管。但藥廠比較保守，想啟動創新的項目非常苦難，工作不是很順心，於是又回到學術界。在做了兩個短期的訪問學者後，終于于1968年，已經43歲的Greengard在耶魯大學成立了自己的實驗室。
人生沒有白走的路。所有的經歷，成功的、失敗的，塑造了獨特的你。Banting醫生30歲時突發奇想，做了個實驗，發現胰島素（今年剛好是百年紀念），兩年後成了史上最年輕的諾貝爾生理學或醫學獎獲得者。有人學醫中途休了一年假去做實驗，同時還娶了實驗室的一個碩士生，幾年後靠這個花一年時間邊談戀愛邊做的博士課題獲得了諾貝爾生理學或醫學獎（沒錯，我說的是Joshua Lederberg）。也有人和Greengard一樣43歲才成立實驗室，他還曾因實驗操作失誤而弄瞎了一隻眼睛，後因發現神經遞質的回收（參考下文）獲諾貝爾生理學或醫學獎（這個人就是Julius Axelrod。）
Greengard成立實驗室時已經43歲，但這並不妨礙他做出重要發現。成立實驗室之前的這段經歷對其後期的研究至關重要。期間他師從了多位名師，包括腦切片技術發明者之一Henry McIlwain（McIlwain曾師從紫色染料發明者、化學染料工業的祖師爺Sir William Henry Perkin爵士之子小Perkin的兩位弟子Sir Robert Robnison和George Clemo。
這幾個人都是著名的有機化學家，Robinson獲1947年諾貝爾化學獎，也曾在阿德里安和Henry Dale之間擔任英國皇家學會會長），線粒體氧化呼吸鏈的研究先驅Edward Slater騎士，結合生物化學、藥理學和電生理方法研究神經遞質的先驅Wilhelm Feldberg（Feldberg曾師從Henry Dale，共同推動了神經遞質學說，詳見下文），腫瘤化療先驅老Alfred Z. Gilman（他兒子小Alfred G. Gilman, Jr因發現G蛋白而獲1994年諾貝爾生理學或醫學獎，那年Greengard也被提名了，但沒獲獎），科里Cori夫婦的三個弟子Sidney Colowick （在Cori夫婦指導下發現糖原代謝的磷酸化酶phosphorylase）、Earl Sutherland（發現糖元代謝細胞內信號通路中的「第二信使」環腺苷酸cAMP，並由此獲1971年諾貝爾生理學或醫學獎）、Sidney Udenfriend（生物實驗室常用的分光光度計的發明者，在師從Cori夫婦之前曾師從過著名化學藥理學家Bernard Brodie）。所以在學術家譜上，Greengard算是既是Dale（生理學、藥理學）、Cori（生物化學）和Brodie（化學藥理學）的徒孫又是小Perkin（有機化學）的徒曾孫。如果把科學界比作金庸的江湖，Greengard就是集各家之所長之郭靖。
未完待續……