神經突觸交流的“化學派”和“放電派”之爭

在介紹Greengard的工作之前，我們先來了解一下神經細胞之間是怎麼交流的。

Sir Henry Dale爵士是神經遞質研究的先驅。第一個神經遞質乙醯膽鹼（acetylcholine），最早由合成靛青indigo染料的Adolf von Baeyer（小Perkin的博士導師）於1867年合成，但其作為“神經體液物質”（neurohumor，當時還沒有神經遞質neurotransmitter一說），最早是由Dale和Arthur James Ewins於1913年從麥角鹼中分離出來的，Dale證明乙醯膽鹼能降低血壓9-10，但在動物體內是否有乙醯膽鹼尚未知。

接著Dale的好友Otto Loewi做了一個經典的蛙心灌流實驗，證實迷走神經透過釋放某種神經體液物質來抑制心臟跳動11-12。他分離了兩顆蛙心，一顆連著迷走神經，一顆去除迷走神經，兩顆心透過Loewi好友Walther Straub發明的插管和少量生理鹽水連線。然後他刺激了第一個蛙心的迷走神經來抑制心臟跳動，然後將該蛙心的生理鹽水透過插管灌注入另一顆沒有刺激的蛙心，結果後者的跳動也被抑制了，證實迷走神經透過釋放某種神經體液物質來抑制心臟跳動。在後續的研究中，Loewi比較了多種化學物質，猜測這種體液物質最大的可能性是Dale早期分離的乙醯膽鹼13。

Loewi的研究重新激起Dale對乙醯膽鹼的興趣（Dale在當時已經非常有名，第一次世界大戰期間曾積極投身於戰場醫療，擔任多個政府行政職務，戰後的主要科研興趣是他早期分離的另一個物質組胺histamine在士兵傷口誘發炎症中的作用）。當時整個學界要麼質疑Loewi實驗的過程或結果（質疑可重複性或質疑神經體液物質是迷走神經放電刺激心臟後由心臟釋放，在後續的研究中Loewi用高濃度的尼古丁麻痺心臟，然後收集迷走神經刺激但不跳動的第一顆心臟體液仍能抑制第二個心臟的跳動，試圖說明神經體液不是由心臟釋放的），要麼承認神經細胞釋放化學物質，但僅限於心臟這一特殊器官（Loewi本人最初也是這麼認為的13）。

Dale後續的研究，包括和Greengard的導師Feldberg的合作，證明迷走神經連線心臟處釋放的就是乙醯膽鹼，不僅如此，迷走神經在其他分支也釋放乙醯膽鹼（這是後來神經科學“戴爾法則”的基礎，詳見下文），甚至整個副交感神經節在各個器官處都是釋放乙醯膽鹼，連運動神經細胞連線骨骼肌處也釋放乙醯膽鹼，而剝離神經直接刺激肌肉則不能釋放乙醯膽鹼，證明神經細胞釋放神經體液可能是個普遍現象，而非特例。最終Dale和Loewi共享了1936年的諾貝爾生理學或醫學獎。

圖7. 1936年諾貝爾生理學或醫學獎的兩位得主。（圖片來源自諾獎官網）

自主神經系統Autonomic Nervous System

Sir Michael Foster有兩大弟子Walter Gaskell和John Langley，後者繼承Foster擔任劍橋大學生理繫系主任。Gaskell出於對進化的興趣，研究脊椎動物起源（Foster曾師從著名進化學家、達爾文的追隨者赫胥黎Thomas Huxley，上文提到的Sir Andrew Huxley是他孫子。Thomas Huxley也曾擔任英國皇家學會會長）。Gaskell解剖了多種脊椎、無脊椎動物神經系統，研究受自主意願控制的四肢肌肉（骨骼肌）和不受控制的內臟肌肉（平滑肌和心肌）工作原理，最終系統的描繪了非自願神經系統解剖結構並著書The Involuntary Nervous System。而Langley則透過各種藥物刺激研究其生理功能，並將其改名為自主神經系統Autonomic Nervous System（並非完全不受控制）。

圖8. 自主神經系統（圖片來源自Wikipedia）。

Gaskell發現所有內臟都由兩個神經細胞（稱為節前細胞和節後細胞）相連（腎上腺例外），第一個神經細胞位於腦幹和脊髓，將“手”伸向第二個神經細胞，第二個神經細胞再將“手”伸向內臟（腎上腺由第一個神經細胞直接連線）。根據第一個神經細胞在脊髓的位置和第二個神經細胞在內臟和脊髓之間的位置，Gaskell將自主神經系統分為三部分。現在我們將其中兩個合併，將自主神經系統分為兩部分：副交感神經系統（parasympathetic system，圖藍線，第一個神經細胞位於脊髓靠上和靠下部，第二個神經細胞主要靠近內臟遠離脊髓），主要釋放乙醯膽鹼，負責休息狀態時的消化、繁殖等功能；交感神經系統（sympathetic system，圖紅線，第一個神經細胞位於脊髓中部，第二個神經細胞主要靠近脊髓遠離內臟），主要釋放去甲腎上腺素，負責興奮狀態下的逃跑或戰鬥。

Loewi的蛙心灌流據說是做夢夢到的。如上文介紹，雖然當時“神經網狀理論”已被否定，神經細胞之間存在個由謝靈頓命名的功能間隙叫突觸“synapse”，但受“網狀理論”影響，當時的主流認為突觸間是透過放電的方式交流。Dale、Dale的導師Langley，Langley的另一個弟子Thomas Elliott等人則研究化學藥物的生理學功能，提示突觸間有可能是透過釋放化學物質（當時他們主要研究的是乙醯膽鹼和腎上腺素）進行交流。

受Dale等人的影響，Loewi思考如何設計實驗證明化學傳遞學說，然後就睡著了。半夜醒來，拿紙筆記錄了些什麼，然後接著睡。第二天醒來後，只記得半夜好像寫了很重要的東西，但發現根本看不懂自己的記錄。好在第二天晚上又做了同一個夢，原來是設計了一個完美的實驗，這次學乖了，馬上跑到實驗室把實驗給做了。然後就有了上面獲得諾獎的工作13-14。

Loewi是個非常熱愛藝術的人，他在不同場合對夢的描述略有差異，提示可能存在虛構的成分13。最初的實驗也很粗糙，可重複性很低，遭到多方質疑。但大概是因為他的藝術氣質，他敢於發表文章並提出理論，再透過不斷地改進方法和實驗設計，發表更多的文章逐步完善自己的理論。

在1926年於斯德哥爾摩舉辦的國際生理學大會上，Loewi被邀請當眾在主持人的指示下一步步地展示實驗來回應質疑。好在彼時Loewi對實驗已有很大改進，在會議過程中，他在同一顆蛙心上重複了不下18次實驗15。

Loewi最初實驗的成功有很多運氣的成分在裡面。我們現在知道，乙醯膽鹼在突觸中被乙醯膽鹼酯酶降解，而Loewi用的蛙的品種在秋季時乙醯膽鹼酯酶含量較低（在後來的實驗中，他加入了乙醯膽鹼酯酶抑制劑）14。他本人做迷走神經刺激實驗的時候，就注意到乙醯膽鹼對心臟興奮性影響的季節性差異，這其中也有Carl Cori的貢獻。

Carl的父親是動物學家，Carl在一戰結束之後還能做科研部分得益於他父親給他寄去來的青蛙，讓他用來研究迷走神經刺激對心臟興奮性影響的季節性差異。Cori夫婦在移民美國之前，Carl曾師從Loewi研究乙醯膽鹼對心臟的作用。移民美國後，因Geity Cori的父親有糖尿病，他們才開始研究糖原代謝16。值得一提的是，從Loewi到Carl Cori到新晉諾獎得主David Julius已經是五代師徒諾獎傳承了。

Dale除了研究副交感神經系統釋放乙醯膽鹼外，對交感神經系統釋放的腎上腺素類物質也有研究，最終是由他的弟子Ulf von Euler確定該物質是去甲腎上腺素。von Euler對神經傳遞的興趣，最初就是源自上文提到Loewi在會議上的實驗展示，而後師從了Dale17。

另外一位美國科學家、哈佛大學（Harvard）生理系首任系主任Walter Cannon對交感神經系統也有更深入的研究，“逃跑或戰鬥”（fight or flight）便是由他命名的。他和Greengard的導師Feldberg都是神經遞質研究的主要貢獻者。

雖然Dale、Loewi、Feldberg、Cannon等人工作已經非常明確自主神經系統是透過釋放化學物質進行交流，但對於骨骼肌、脊髓和大腦中神經細胞之間的交流，這種方式的反應速度似乎太慢了。當時的主流觀點仍認為是透過放電進行交流。運動神經放電引起骨骼肌反射發生在一毫秒內（千分之一秒），而迷走神經釋放乙醯膽鹼作用於心肌至少有一百毫秒的滯後（後來隨著電鏡的發展，我們知道骨骼肌的神經肌肉連線和心肌的神經肌肉連線很不一樣，運動神經細胞和骨骼肌的間隙很小，乙醯膽鹼從神經細胞釋放後能快速結合肌肉上的受體。

另外乙醯膽鹼也有兩種受體，一種快速反應的是離子型受體nAChR，一種慢速反應的是代謝型受體mAChR）。謝靈頓的弟子、與Hodgkin、Huxley共享諾獎的Eccles是支援放電交流的主要代表，其他支持者還包括Hodgkin的導師Herbert Gasser、Gasser的導師Joseph Erlanger、中國神經科學的奠基人之一馮德培的導師Ralph Gerard、另一奠基人張香桐的導師John Fulton、卡哈爾的弟子Rafael Lorente de Nó等。

Eccles認為運動神經細胞釋放的乙醯膽鹼只是起到營養作用，Fulton則認為乙醯膽鹼只是代謝副產物。Cannon則在Science上發文回擊18。對於化學傳遞太慢的質疑，Cannon回應這只是一種假設，事實上我們對化學物質在突觸間跨過去到底有多快一無所知。相反，目前記錄的神經傳遞都有毫秒級的滯後，如果是放電的話又怎麼會有滯後？對於放電交流最大的質疑是，神經傳遞的效果，在有些地方是興奮性的，在有些地方是抑制性的。我們的肌肉都是成對存在的，有收縮的也有舒張的。比如彎臂的時候，肱二頭肌收縮（興奮），肱三頭肌舒張（抑制）。如果是放電的話又怎麼解釋抑制性？

當然，為此Eccles也提出了一個理論。當時用高爾基染色法發現脊髓裡有個小的中間細胞，於是被命名為高爾基細胞“Golgi cell”（現在根據他的發現者Birdsey Renshaw命名為Renshaw cell），他的放電比較異常。於是Eccles在Nature上發文回應質疑19。

Eccles指出興奮性的輸入直接放電啟用運動神經細胞，抑制性輸入則透過高爾基細胞再到達運動神經細胞，它的電流不足以啟用高爾基細胞，從而電流順著高爾基細胞的軸突（“手”）傳輸到突觸，穿透細胞膜進入運動神經細胞，再在區域性穿透流出細胞，這樣就在運動神經細胞區域性形成一個電流塌陷或洩漏，可以抑制運動神經細胞和興奮性的輸入（圖9）。有趣的是，Eccles說自己的理論也是做夢夢到的，因為Loewi第一個夢沒記錄清楚而差點錯失重大發現，Eccles說特意讓自己保持清醒，回憶夢的每一個細節，發現他的理論可以完美解釋所有已知抑制性傳遞現象20。

圖9. Eccles提出的模型來解釋抑制性神經傳遞。X為區域性電流塌陷（作者漢化）19。

化學交流的支持者主要是用藥理學的研究方法，放電交流的支持者主要是用生理學的方法。雖然各有各的證據，但雙方都不承認彼此。生理學家是傳統的學院派，研究“高大上”的電訊號。他們看不起藥理學家，尤其是藥理學家往往和藥廠有聯絡，有損科學家“尊嚴”。Dale的求學之路基本上都是靠獎學金走過來的，所以在其獨立的時候，去了有更多資金支援的Wellcome藥廠擔任生理實驗室主任，雖然他的一些朋友並不支援。

Wellcome Trust

Wellcome Trust是現在英國最大的私立科研基金，基金來自Burroughs Wellcome藥廠，由Silas Burroughs和Sir Henry Wellcome共同創立，現已與其它藥廠合併成立全球最大的藥廠之一葛蘭素史克GSK。Burroughs在一次極限騎行中得了肺炎去世後，藥廠就由Wellcome掌控。Wellcome極力支援科研和醫藥，建立了多個研究室和醫院，還有一個醫學史博物館。Wellcome承諾了Dale科研自由，但也建議Dale研究一下麥角鹼，由麥角菌感染麥類產生的生物鹼。麥角鹼的醫用已有較長的歷史，產婆用其來促進子宮收縮助產。當時他們的競爭對手Parke Davis藥廠（現已併入輝瑞Pfizer）正著手標準化麥角鹼提取物用於醫用。Dale從麥角鹼中分離了乙醯膽鹼、組胺等多種化學物質。有名的致幻劑LSD也是後人從麥角鹼中分離前物再合成的。

知名生物學期刊eLife是由Wellcome Trust、美國最大的私立科研基金組織Howard Hughes Medical Institute （HHMI，創始人Howard Hughes是與現在的Elon Musk類似的商業傳奇人物）和德國馬普基金共同創立的。

在50、60年代，Arvid Carlsson等人研究多巴胺的時候，突觸透過化學還是放電交流正吵得熱烈，所以根本沒人在意Carlsson的研究——多巴胺的反應太慢了，甚至含有神經毒性（多巴胺的氧化毒性也是帕金森症的理論之一），沒人關心多巴胺是不是神經遞質21。即便事實上多巴胺最早是由Dale、Ewins等人於1910年在Wellcome藥廠合成、檢測的22-24，並由Dale於1952年5月在劍橋舉辦的生理學年會上將其正式命名的（dopamine，此前的文獻裡用的詞是3-hydroxytyramine）25。

都說老人就像小孩一樣，70七十多歲的諾獎獲得主者Dale和還未獲諾獎的50五十來歲的Eccles吵得面紅耳赤，他們形成了兩大陣營：“放電派”（the sparks，火花）和“化學派”（the soup，湯）21、26。但最終，還是Eccles做實驗證明了自己的高爾基細胞理論是錯的。當時電生理學家主要用的是細胞外記錄的方法，對於檢測細胞內電壓變化靈敏度較差，除了Hodgkin和Huxley用的槍烏賊大軸突能將電極直接插入到軸突內。

1946年馮德培的碩士導師Ralph Gerard發明了玻璃電極，他將拉得很細的玻璃管裡注入生理鹽水，然後玻璃管針頭直接插入細胞內實現細胞內記錄。Eccles用Gerard發明的玻璃電極記錄運動神經細胞，根據他的“放電派”高爾基細胞理論，抑制性的神經電流穿透入運動神經細胞，細胞內電壓應該上去；根據化學交流理論，抑制性的神經傳遞釋放化學物質抑制細胞活性，細胞內電壓應該下去。

結果Eccles記錄到電壓下去了（這個抑制性的電壓我們現在稱為抑制性突出後電壓inhibitory post-synaptic potential, IPSP），自然也就否定了他的理論，而支援“化學派”理論。除此之外，Eccles也記錄了興奮性的輸入（稱為興奮性突觸後電壓excitatory post-synaptic potential, EPSP），發現突觸後的電壓變化遠大於突觸前的電壓變化，突觸並不能起到電壓放大器的作用，那麼一定是有化學物質釋放，然後啟用其它電流，比如Hodgkin和Huxley記錄的鈉離子電流。

Eccles無疑是偉大的，當實驗資料不支援自己的理論時，他能果斷放棄自己的理論，轉而支援敵對方的理論。Eccles的文章和Hodgkin、Huxley的五篇長文一樣，於同一年發表在生理學期刊上27，三人也於11年後共享了諾獎。Eccles在文章發表之前還第一時間和Dale分享了實驗結果，並從此和Dale一起手拉手推動神經遞質學說。Eccles還將Dale提出的一條命名法則尊稱為“戴爾法則（Dale’s principle或Dale’s law）”。

如上文描述，Dale發現迷走神經所有分支都釋放乙醯膽鹼，提示“一種神經細胞只釋放一種神經遞質”，於是建議對神經細胞以其所釋放的神經遞質來命名。現在我們將釋放興奮性神經遞質穀氨酸的細胞命名為“穀氨酸能神經細胞（glutamatergic neuron）”，將釋放抑制性神經遞質GABA的細胞命名為“GABA能神經細胞（GABAergic neuron）”，那麼釋放多巴胺的神經細胞便稱為“多巴胺能神經細胞（dopaminergic neuron）”。

當然，我們現在知道“戴爾法則”是不太正確的。上世紀70年代，Salomon Langer等人最早報道了可能存在著神經遞質共釋放的現象28，現在我們知道大部分神經細胞存在著神經遞質共釋放的現象，除了上述經典的神經遞質外，同一個神經細胞還可以釋放其他多種神經多肽、激素等，例如我們自身合成的內源性鴉片——腦啡肽（enkephalin）、哺乳相關的激素——催產素（oxytocin）、壓力應激相關的促腎上腺皮質激素釋放激素（CRF）、調控飲食相關的刺鼠相關肽（AgRP）等。

經典的神經遞質也存在共釋放現象。比如哥倫比亞大學（Columbia）的David Sulzer（他還是個作曲人和樂手，並以David Soldier的名字出過多張專輯）曾發現多巴胺細胞還能共釋放穀氨酸29。斯坦福大學（Stanford）華人神經科學家丁軍發現部分黑質多巴胺細胞還可以共釋放GABA30-31。英國分子生物學實驗室（MRC-LMB）的任婧在博士師從神經科學家羅敏敏時，便發現部分韁核（habenula）可以共釋放乙醯膽鹼和穀氨酸32。

羅敏敏還發現中縫背核（dorsal raphe）細胞除釋放血清素外也能共釋放穀氨酸33，支援20年前由Mark Johnson在體外培養的細胞上的發現34。筆者讀博期間也發現部分藍斑核細胞（Locus Coeruleus，和黑質多巴胺細胞一樣，也分泌黑色素，在解剖上呈暗藍色，在帕金森症中也死亡，與帕金森症的非運動症狀相關）可以共釋放去甲腎上腺素和穀氨酸，並首次闡述了神經遞質共釋放的可能生理功能35。這一系列研究也證實了20多年前Kaneko等人的猜想：所有單胺類神經細胞都可以共釋放穀氨酸36。

Eccles的“叛變”讓很多“放電派”支持者不滿，他們認為在脊髓中應該還是以放電交流為主，而大腦中神經細胞之間必定是隻透過放電進行交流。最終神經遞質學說被學界接受是個漫長的過程，是由多個研究一起推動的，包括多巴胺的研究發現多巴胺是種神經遞質、電鏡的發展使科學家在軸突的末端觀察到一個個儲存神經遞質的囊泡等。

在這過程中，Dale的弟子von Euler發現去甲腎上腺素儲存於一個個囊泡中；Eccles、Hodgkin和Huxley的弟子Sir Bernard Katz（Hodgkin和Huxley五篇經典長文中第一篇的共同作者）發現神經遞質定量釋放（“quantal” release）現象，它的釋放量總是某一最小單位的倍數，這一最小單位就是單個囊泡的釋放量；Brodie的弟子Julius Axelrod發現腎上腺素和去甲腎上腺素經釋放後，可由突觸回收，再儲存於囊泡中用於下次釋放（參考第一期神經遞質已吹泡泡形式儲存、釋放、回收）。他們仨因此共享了1970年的諾貝爾生理學或醫學獎。我們現在知道某些神經細胞之間確實可以透過直接放電交流，但透過釋放神經遞質交流是主流。

圖10. 1970年諾貝爾生理學或醫學獎的三位得主。（圖片來源自諾獎官網）

Dale培養了眾多學生，有生理學、藥理學、生物化學和分子生物學的領軍人物，其中有4位獲得諾貝爾獎。Greengard的導師Feldberg在希特勒上臺後，逃離德國投靠Dale。他在加入Dale實驗室之前就已經做出眾多重要工作，他帶來的用水蛭肌肉檢測乙醯膽鹼釋放的方法，大大提高了檢測靈明度，是Dale後期工作的關鍵技術。另外還有與Banting醫生一起發現胰島素用於治療糖尿病的22歲的醫學在讀生Charles Best，後來也跟隨Dale讀了博士。

Loewi後來在納粹德軍攻入奧斯陸後被關了兩個月的監獄。在提交所有財產（包括還存在瑞典銀行的諾獎獎金）後，在Dale的幫助下去了英國，再在Cannon的幫助下去了美國度過餘生。

對於“化學派”和“放電派”之爭的這段精彩神經科學發展史、其中關鍵人物的貢獻和人生遭遇感興趣的讀者，筆者推薦一本很好的科普書The War of the Soups and the Sparks: The Discovery of Neurotransmitters and the Dispute Over How Nerves Communicate.

Greengard成立實驗室之時代背景

1968年Greengard 成立實驗室的時候，神經細胞以釋放化學物質進行交流還是以放電進行交流的爭論基本上已經落下帷幕了。當時的科學家知道有兩種神經遞質，一種反應快，一種反應慢。快的，比如興奮性神經遞質穀氨酸，啟用穀氨酸AMPA受體後，受體構象改變，特異性允許鈉離子（Na+）透過。細胞外鈉離子濃度高於細胞內，於是鈉離子內流，鈉離子帶一個正電荷，其內流導致細胞內電壓上升。

再比如抑制性神經遞質GABA，啟用GABAA受體，受體構象改變，特異性允許氯離子（Cl-）透過。細胞外氯離子離子濃度高於細胞內，於是氯離子內流。氯離子帶一個負電荷，其內流導致細胞內電壓下降。生理鹽水氯化鈉（NaCl）的濃度便是細胞外鈉離子和氯離子的濃度。

離子通道與神經細胞放電（“動作電位”）

當神經細胞的樹突“腳”接受並整合各種訊號後，包括興奮性和抑制性的，最終細胞內電壓如果達到一個臨界點，就會放電，如果達不到臨界點，就不會放電。這便是神經細胞“全或無”放電的機制。這個臨界點是軸突“手”的根部（靠近細胞體處，相當於“腋窩”部分）富集著大量電壓門控鈉離子（Na+）通道，這些鈉離子通道的啟用受電壓控制。

當從樹突傳遞過來的電流使細胞去極化達到電壓門控鈉離子通道的臨界點，比如從-70mV（毫伏）到-55mV，電壓門控鈉離子通道開啟，大量鈉離子迅速內流，電壓一下子竄到+20mV。然後電壓門控鉀離子（K+）通道開啟，大量鉀離子外流（細胞內鉀離子濃度高於細胞外），電壓又回到了-70mV，這便是神經細胞的一次放電（firing）或脈衝（spike），專業術語稱為“動作電位（action potential）”。經典的Hodgkin-Huxley模型就對電壓門控鈉離子和鉀離子通道在不同電壓下的啟用和去啟用狀態及它們在放電過程中的變化做了細緻的研究。

圖11. 典型的大腦皮層神經細胞一次放電（“動作電位”）的全過程37（作者漢化）。

圖12. Hodgkin和Huxley在槍烏賊巨型軸突中記錄的動作電位過程中鈉、鉀離子電流變化7。

上圖的電壓變化就是圖10的動作電位全過程，讀者可以看到在電壓上升期，主要的電流是鈉離子電流，在電壓下降期，鈉離子電流變小，鉀離子占主導地位。

和神經遞質結合後直接開啟離子通道導電的受體稱為離子型受體（ionotropic receptor），比如上文提到的AMPA受體、GABAA受體、nAChR等；另一類本身並非離子通道，但和神經遞質結合後會透過影響其它離子通道而導電的受體，稱為代謝型受體（metabotropic receptor）。代謝型受體反應慢，比如多巴胺受體、去甲腎上腺素受體、大部分血清素受體、mAChR等。但在當時，從神經遞質結合代謝型受體到改變神經細胞活性，中間發生了什麼並不清楚。Greengard猜測，這是一個和代謝系統類似的生化反應過程。他有較強的生化和分子生物學背景，他決定去挑戰這個難題。

我們再來看一下當時的背景。在1968年Greengard成立實驗室的時候，神經科學作為一門學科其實還不存在，當時實驗神經科學研究主要有兩派，一派是傳統的生理學，研究神經細胞電訊號；一派是新興的、以生物化學、化學藥理學為研究方法的“神經化學”，畢竟神經細胞也是細胞，神經細胞也釋放化學物質，細胞內也有化學反應。就像當年的“放電派”和“化學派”之爭一樣，這兩派的人很少有交集，彼此不太懂對方，也都不太看得上對方——生理學家自認為研究的是“高大上”的、活的、放電的細胞，化學家則研究的是從細胞裡提取的蛋白，在試管裡做的化學反應，不太關心大腦裡發生了什麼。

當時，我國中科院裡研究神經科學的是中科院生理生化所的生理學部，1958年分出成立了中科院生理所，再後來生理所研究腦科學的再又分出來成立了中科院腦研究所，最後直到1999年才改名有了為“中科院神經所”。生理所的前輩們都是傳統的生理學家，比如馮德培、張香桐，他們比Greengard年長十幾歲，是同時代的人物。張香桐曾師從過謝靈頓的弟子John Fulton、謝靈頓和Eccles的弟子David Lloyd，馮德培則曾師從過中國生理學奠基人林可勝、和謝靈頓共享諾獎的阿德里安、Eccles、Langley的弟子Archibald Hill、和Hill的弟子Ralph Gerard38-39。

對研究生理學的人而言，Hodgkin-Huxley模型如此之美，外行實在難以瞭解。別說離子通道的電導（G）和電壓（V）關係的玻爾茲曼公式（Boltzmann equation），就簡單點的，計算離子通道電流大小的驅動力可能都不一定理解對。比如學生物化學的人都知道鈣離子（Ca2+）很重要，細胞糖原合成分解、線粒體氧化呼吸過程中很多酶都是鈣離子依賴的，那麼鈣離子是在什麼時候進入細胞的呢？十有八九會覺得鈣離子肯定是在動作電位的上升期進入細胞，因為電壓上升了，離子通道開始打開了。

但事實上大部分鈣離子是在動作電位下降期進入細胞的。我們都知道電流等於電壓除以電阻（I=V/R），對離子通道而言，電阻則可用反過來的電導替代（conductance，G=1/R）），電壓則是絕對電壓和逆轉電位差，也就是驅動力（driving force，V-Erev）。那麼離子通道電流大小就是電導和驅動力的乘積I=G(V-Erev)。

逆轉電位（reversal potential，也稱equilibrium potential平衡電位）是指細胞內外電壓差對帶電的離子的驅動力和離子濃度差的勢能相等，這時離子通道開啟，離子不內流也不外流。電壓偏向一邊，則離子順著濃度差方向流；偏向另一邊，則在電壓驅動下逆著濃度差方向流。

動作電位的上升期鈉離子順著濃度差移動，電壓向鈉離子的逆轉電位（+50-60mV）靠近；動作電位的下降期鉀離子順著濃度差移動，電壓向鉀離子的逆轉電位(-90mV)靠近。鈣離子的逆轉電位大概在+130mV，所以電壓越小，離+130mV越遠，驅動力越大。在動作電位的下降期，鈣離子通道全部開啟還沒來得及關閉，所以電導最大，隨著電壓下降，驅動力也越來越大，大量鈣離子湧入細胞，直到通道關閉。

圖13. 多巴胺細胞單個動作電位過程中鈉、鈣離子電流變化（左37）和鈣離子濃度變化（中右，作者供圖）。

左圖：用電極直接記錄鈉、鈣離子電流大小變化；中右：根據雙光字鈣成像推算出鈣離子濃度變化，注意鈣離子濃度反應的不僅是鈣離子電流，還包括鈣離子緩衝和釋放（鈣結合蛋白、內質網、線粒體）。

可以想像，當一個生理學家對一個神經化學家津津樂道鈣離子什麼時候進入細胞時，後者其實根本不感興趣。他們用的方法是將動物殺死，從組織、細胞中提取蛋白，在體外做實驗。管你鈣離子進不進細胞，直接提取酶，測酶活就好了。在他們看來，生理學家太頑固，研究進展也太慢。比如David Hubel和Torsten Wiesel研究視覺系統，一點點累積，總共花了20多年才研究明白。

但神經化學家基本上一兩年幾篇文章就解決了神經科學一個重大問題。比如Bernard Brodie，在研究抗瘧藥和其它藥物代謝之後，將興趣投向抗精神藥物研究，用化學藥理學的方法於1955年連發三篇Science文章，發現利血平能清空血清素，一時使“血清素理論”成為精神分裂症的主要理論。Brodie的弟子Carlsson發現利血平還能清空多巴胺，最終奠定了精神分裂症的“多巴胺理論”（參考第一期對Brodie和Carlsson文章的比較及第二期介紹Carlsson是如何研究多巴胺的）。

再比如生理學家已經知道乙醯膽鹼在突觸中被乙醯膽鹼酯酶降解，但腎上腺素和去甲腎上腺素在突觸中是怎麼被清除的卻一直沒研究明白。神經遞質必須在短時間內從突觸清除，還受體自由，不然連續兩次神經放電，第二次釋放的遞質就不能結合受體，就沒有效果了。

Brodie的另一弟子Julius Axelrod （上文提到的和Greengard一樣43歲成立實驗室的諾獎獲得者），僅用兩年時間，不僅發現了代謝腎上腺素和去甲腎上腺素的一個酶COMT（事實上也是代謝多巴胺的酶），而且還發現腎上腺素和去甲腎上腺素在突觸不是被代謝，而是被突觸前細胞的“手”回收，用於下次放電時再釋放40。

Axelrod的弟子、Greengard的好友Solomon Synder，也只用了兩年時間就找到了阿片受體41，推動神經遞質受體的研究，才31歲便成了約翰斯·霍普金斯大學史上最年輕的正教授。1980年，學校為年僅42歲的Synder專門成立神經科學系，任命他為系主任。後來為紀念他，將神經科學系改名為“Solomon Synder神經科學系”。Synder的弟子David Sabatini僅用了一年時間就分離純化了mTOR42，博士畢業就直接在MIT開始了獨立職業生涯（可惜最近因性騷擾醜聞而被研究所和HHMI解僱）。

圖14. 約翰斯·霍普金斯大學Solomon Synder神經系。（圖片來源自約翰斯·霍普金斯大學神經系官網）

現代神經科學就是在那個時代，結合實驗科學方面的傳統生理學、已經成熟的生物化學、藥理學、正在蓬勃發展的分子生物學、剛剛起步的遺傳學，以及偏向臨床的神經解剖學和心理學，才正式成為一門新的學科。

在Greengard所處的現代神經科學萌芽時代，在科研上做出重大貢獻的往往是有大格局，不侷限於方法、動物模型、派別的人。這也是為什麼現在特別重視交叉學科。Greengard趕上了能將他所學各派之所長都發揮出來的時代。

未完待續……