神经科学之父的奇幻画作

“他解决了一个关于神经信号在大脑和脊髓之间按什么方向进行传播的重大问题。他认为每个神经元通道都是单向的，且在任何时候都是不可逆的。”...



利维坦按：7年前，牛津出版社出过一本《卡哈尔灵魂的蝴蝶》（Cajal’s Butterflies of the Soul），里面不仅收录了卡哈尔精美的画作，还有卡米洛·高尔基的绘画作品。

提到高尔基，很多人知道他的“高尔基染色法”，即铬酸盐-硝酸银染色法，他称为“黑色反应”，从而能够清晣地辨认出神经细胞及其突起，并发现脑和脊髓的细微结构。高尔基同时也是一位出色的画家：

卡哈尔曾说，“如同不断追寻缤纷美丽蝴蝶的昆虫学家一样，我被神经灰质的后花园深深吸引。那里有形态精致优雅的细胞，还有那谜一般的灵魂的蝴蝶。谁知道呢，说不定哪天它一振翅，就能揭开精神世界的神秘面纱”。从某种意义上来说，或许正是其父亲想让卡哈尔成为一名医生的愿望，反而成就了他在神经学领域的艺术天赋吧。

当然，更重要的在于，卡哈尔提出的神经元假说（即神经组织是由单一神经元相连而成，神经元包含胞体、树突及轴突，神经之间通过突触彼此联结）事后被证明是正确的。

对于高深莫测的神经科学研究者，这些图片再形象不过：围绕着小小的黑色斑点，发散出精巧的分支结构。或轻或重的笔触勾画出三维立体效果，让人联想到冬日的枯树。这些神经细胞示意图，正是出自神经解剖学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal）之手。

五十年间，卡哈尔（1852-1935）创造了2900多幅神经细胞示意图。花费了无数细致观察的时间，卡哈尔才创作出这些画作，并得出神经解剖学的两则基本原理。首先，他推断大脑由许多独立的细胞构成，即神经细胞，而非如蜘蛛网般相互融合的细胞（当时很多人支持网状理论）。其次，电信号在神经细胞之间单向传导：树突接收到脉冲，传导至神经元，再沿着轴突传导——这些突触将大脑的各部分相互连接。

因其卓越的贡献，卡哈尔与卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）共同获得了1906年的诺贝尔生理学或医学奖（编者注：这也是诺贝尔生理学或医学奖第一次同时颁给两位获奖人）。高尔基发明了组织染色法，卡哈尔用此方法观察到独立的神经元。难以置信的是，其他研究者在数十年后才证实了卡哈尔关于大脑结构和功用的理论。如今，他被誉为现代神经科学之父。

“他是一个天才，伟大的科学家，能够观察到别人看不到的事物。”明尼苏达大学神经科学家艾瑞克·纽曼（Eric Newman）评价道。艾瑞克与同事阿方索·阿拉克（Alfonso Araque）和珍妮特·杜宾斯基（Janet Dubinsky）合写了关于卡哈尔的新书——《卡哈尔，美丽的大脑：圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔的画作》。本书收录了超过80幅卡哈尔的画作，也是巡回展览的指南手册，1月28日明尼阿波里斯市的魏斯曼艺术博物馆有一场展览。

正如本书和展览展示的，卡哈尔是位技艺纯熟的艺术家，他惊人的观察力让其成为科学史上的泰斗。

这些绚丽的画作是对神经细胞的精心描绘，得益于卡哈尔改进的高尔基染色法。但这些作品的意义不止于此。很多画作信息量巨大，乃至在今日的神经生物学课堂上仍用作教学。“卡哈尔的画仍属上乘之作，”纽曼评价道，“他把很多关键点做了图示，这样形式和功用具备的极致，即使现代成像技术也无法超越。”

本书分为四个主要部分。首先，介绍人脑中不同的细胞类型，从广泛分布的保持身体协调的的浦肯野细胞（Purkinje neurons），到稀疏分布的管控肌肉收缩的细胞。第二部分，展现这些细胞如何构建出感官系统。卡哈尔的画作探究了大脑和感觉器官的运作模式，即如何接收及处理气味、图像和声音。第三部分收录了神经回路的示意图。神经细胞互相协作，构建出神经通路，连结大脑不同部分，或者引发某些行为。最后一部分则收录了描绘细胞增长、分裂及死亡的画作。

纽曼给这些画作配上了解说词。“每一张图，我都会试着讲一个故事，读者看到时就能了解些神经科学。”他的解说绝不是说教，相反，介绍神经系统的故事很是吸引人，配上卡哈尔的视觉盛宴，赏心悦目。

纽曼说，“我们之所以收录这些画作，正是因为它们的美感。”当时，工作团队需要埋头研究卡哈尔的原始期刊论文，以便更好理解每幅画作的背景和意义。

本书还特载了一篇文章，作者是南加州大学的神经生物学家拉里·斯旺森（Larry W. Swanson），魏斯曼艺术博物馆的馆长林德尔·金（Lyndel King），以及亚伯兰斯出版社（Abrams Books）的编辑艾瑞克·希梅尔（Eric Himmel）。

斯旺森探究了卡哈尔的一生以及科学成就，称他“迷人、多面、传奇”。金和希梅尔则研究了他的艺术及手法。文章均取材于卡哈尔的自传《人生的回忆》。

卡哈尔1852年出生在西班牙东北部的一个小镇上。斯旺森写道，卡哈尔形容自己是个贫穷的学生，害羞又不善交际。青年时代，他对绘画欲罢不能，梦想成为艺术家。他的父亲是位当地的医生，想让卡哈尔成为一名内科医生。卡哈尔对人体产生浓厚兴趣后，这二者的矛盾便化解了。他的父亲也看到这些示意图用作解剖学教学十分出色。卡哈尔在当地一家医学院接受了教育。

在军队担任医务人员期间，他染上了疟疾。此后，他的身体羸弱到没有办法成为执业医生，转而研究微观人体，即组织学。对此，他也有个诗意的解释：组织学于他而言，是“众人皆备、无休无止的蜂房里，传来的嗡鸣”。在家中自建的实验室里，他苦苦磨炼技艺。有次他到意大利拜访高尔基，学会了铬酸银染色法，可以随机将很多神经元染成深黑色，这为他的创作奠定了基础。

卡哈尔经常总结对于数百个神经细胞的观察，在成品画作上展现细胞精致的结构。金和希梅尔根据他的一张自拍照，想象他的日常是这样的：卡哈尔在一台放着几台显微镜的桌旁坐下，头枕在手上，对着仪器目不转睛。架子上满是瓶装的化学用品，桌上铺着被染色的桌布，都是为了给动物组织染色，组织取自兔子、青蛙、鸽子以及人类尸体。

文章作者解释道，卡哈尔透过身前的显微镜观察，然后在一旁的纸上画出草图。他们写道：

他可能开始用铅笔勾勒，然后用印度墨水上色，彩色区域加上些墨水或者水彩。经常，他在显微镜旁坐上一上午，不动一笔；下午凭记忆绘图，再透过显微镜观察来确认和修正；我们可以在画面的空白区域，看到他不甚满意的修改痕迹。

卡哈尔的成功发现，关键在于勤勉的观察。“你当然可以说他不过是个出色的观察者，将显微镜下所见画出来而已，”纽曼说道。

对于纽曼，卡哈尔的作品承载着特别的意义。纽曼自己的研究侧重于大脑中的非神经元细胞，即神经胶质。传统观点认为这类细胞是神经元的“副手”，提供被动性的支持。这样的观点到最近的几年才被推翻。神经胶质细胞的作用很大，能够促进或限制神经元之间的联系，帮助调节神经信号和大脑中的血液运输。而卡哈尔则在一个多世纪以前，就认识到神经胶质细胞的重要作用。

纽曼说道，“他确实提出神经胶质细胞的许多功用，我们现在发现都是正确的。”

本书以杜宾斯基的文章结尾。文章阐释并提供了大脑及其结构的图像，这些图像来自现代科技的测绘，并发表于当今的科学期刊。其中包括一只经过“大脑彩虹着色”技术处理过的老鼠（Brainbow，注：通过荧光蛋白为细胞调色，可以计数细胞，追踪细胞的走向，观察神经网络的连接布局），神经元的颜色约有100种；还包括轴突末梢的数字重构图——基于电子扫描显微镜和蛋白识别实验——末梢上布满了等待传递的化学信号。五光十色的“大脑彩虹”图像突显了卡哈尔的正确之处，也展现了从彼时到今日科学的进步。

即使科学小白也能欣赏到卡哈尔画作的视觉美感，这些画作将大脑奥秘的结构淋漓尽致地展现了出来。金和希梅尔在文章里这样写道，“我们今日再来看这些画作，看的并不是图案或参数，而是走在最远方的先驱者，他带给我们这一陌生领域的首张清晰描绘。”

《美丽的大脑》于1月17日出版。收录卡哈尔原始画作的展览指南，在明尼阿波里斯市的魏斯曼艺术博物馆可以拿到（展期为1月28日至5月21日）。今年至2019年春季，巡回展览还将至加拿大温哥华；纽约；剑桥；麻萨诸塞；最后到北卡罗莱纳教堂山。

    关注 利维坦