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诺奖人物科普篇(十一):Santiago Ramón y Cajal,绘制神经组织图谱的先驱!

历史编译稿回顾卡哈尔的神经组织绘图、染色技术与神经元学说;保留Famous Scientists英文来源。

诺奖人物科普篇(十一):Santiago Ramón y Cajal,绘制神经组织图谱的先驱!主题插画

历史编译稿:本文保留原稿的科学人物叙事。英文资料来源为Famous Scientists;具名作者及译者未能从导出稿中核实,原发表日期待核实。

大脑,人体结构中最重要也是最神秘的器官。

现代研究对所研究的成人大脑样本估计,重量约1.5千克(约3磅)的大脑平均拥有大约860亿个神经元。这个数字来自具体样本的近似估计,并非每个人大脑都相同,也不能与宇宙星系总数作精确等同。

曾任美国总统的奥巴马(Obama)有句名言:作为人类,我们能够确认数光年外的星系,能研究比原子还小的粒子,却无法揭示这个两耳间3磅重物质的秘密。

从将大脑视为神秘的“禁区”,到利用解剖探索大脑最深处的奥秘,无数生命科学家为此前仆后继,付出了艰苦卓绝的努力。

这其中就包括为神经元学说画上重要一笔的西班牙神经学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)。1906年,因为其在神经组织学领域做出的重要贡献,圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔被授予该年度的诺贝尔生理学或医学奖。

图1:圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔
图1:圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔

艺术少年的墓地“探险”

圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔于1852年5月1日出生在西班牙北部的阿拉贡自治区。他的母亲是Antonia Cajal,他的父亲Justo Ramón Casasús是一名外科医生和应用解剖学教授。

拉蒙-卡哈尔小时候非常调皮,在学校里经常惹麻烦。他换过好几所不同的学校,因为他的家人试图找到一所能让他安顿下来并表现良好的学校。

他非常擅长绘画,却并不喜欢学校里教书的修士教授们制订的严格的、有时甚至是暴力的规章制度。

他的父亲对这个孩子失去了耐心,让他退学去当理发师的学徒,但是结果并不理想,后来又送他去当鞋匠,结果也不理想。拉蒙-卡哈尔希望成为一名艺术家,他的意志非常坚定,并回到了韦斯卡镇的高中继续就读。

图2:卡哈尔幼时的画作
图2:卡哈尔幼时的画作

1868年夏天,作为解剖学家的父亲带着这个16岁的男孩去墓地“探险”,那里能看到一些从古代墓葬中出土的骨头。他的父亲让儿子为这些骨头作画,希望借此机会激发他对于解剖学的兴趣。

他父亲的伎俩奏效了,1868年,拉蒙-卡哈尔进入萨拉戈萨大学学习医学,他的父亲正是这所大学的解剖学教授。

在父亲的指导下,拉蒙-卡哈尔在大学里表现良好,并熟练掌握了解剖学的知识与技术。

1873年,在医学院学习五年后,拉蒙-卡哈尔毕业了。年仅21岁的卡哈尔已经拥有了行医资格。毕业后不久,拉蒙-卡哈尔就被征召入伍了。

图3:解剖学
图3:解剖学

军旅人生下的蜕变

在军队服役几个月后,拉蒙-卡哈尔成功通过申请加入了医疗队。

1874年,拉蒙-卡哈尔所在的陆军部队转移到了西班牙殖民地古巴(自1868年起古巴进行了长达十年的独立战争)。1875年,卡哈尔被调回西班牙,远离了古巴的热带梦魇。但是他患上了痢疾和疟疾,疟疾几乎要了他的命。

离开军队后,拉蒙-卡哈尔前往西班牙北部的比利牛斯山麓,在母亲和姐妹们的照顾下度过了一段时间。

图4:疟疾
图4:疟疾

1875年底,拉蒙-卡哈尔开始在萨拉戈萨大学担任研究生助理。1877年初,他被升职为代理助理教授并被授予医学博士学位。

1879年,拉蒙-卡哈尔成为萨拉戈萨大学医学系解剖博物馆的主任。

1883年,拉蒙-卡哈尔转任巴伦西亚大学医学系解剖学教授。

在职业生涯的早期阶段,卡哈尔一直致力于研究炎症的成因、霍乱和上皮组织的基本结构。

1887年,卡哈尔前往巴塞罗那大学担任组织学和病理解剖学主任。正是在这里,他开始研究“高尔基染色法”,这项研究最终帮助他斩获了诺贝尔奖。

1892年,卡哈尔成为马德里中央大学病理医学院的解剖学和组织学教授。他在这个职位上工作了整整30年,直至1922年退休。

图5:西班牙巴塞罗那大学
图5:西班牙巴塞罗那大学

神经元学说的历史性发展

1873年,卡米洛·高尔基发现,用重铬酸钾处理神经组织后再用硝酸银浸渍,可以形成银盐沉淀,使部分神经细胞及其突起在背景中清晰可见;神经细胞也被称为神经元。

神经细胞对人体至关重要,因为它们可以利用化学信号和电信号在体内传递信息。神经细胞可以将感觉器官(例如视觉和听觉)接收到的信号传递给大脑,再将大脑的反应传回身体,控制肌肉运动。

在“高尔基染色法”的帮助下,神经细胞(神经元)首次能够被人们清晰地观察到。但是,这种方法并不完美,因为只有不到5%的神经元可以被成功染色。

1887年,拉蒙-卡哈尔开始借助“高尔基染色法”来研究神经元。他改进了该方法,使用了更高浓度的化学品,切割了更厚的材料,在显微镜下用该方法来研究那些染色效果最好的神经元(含有无髓鞘的轴突的神经元)。因为这些神经元的轴突(神经元的输出通道)没有被脂肪包围。而鸟类大脑和哺乳动物胚胎中都含有无髓鞘的轴突,它们成为了拉蒙-卡哈尔的最佳研究对象。

拉蒙-卡哈尔发现:使用改良后的染色法,染色成功的神经元数量会比“高尔基染色法”更多。

图6:卡哈尔作品,小脑中的浦肯野细胞
图6:卡哈尔作品,小脑中的浦肯野细胞

1888年,拉蒙-卡哈尔发表了一项突破性的成果:鸟类大脑中的神经系统是由相互接触的单个细胞组成的。他可以将研究结果进行清楚地展示,因为他能够对神经细胞进行高比例染色。

对拉蒙-卡哈尔来说,1888年的这一发现成为了他职业生涯中至关重要的一项成就。这项发现为卡哈尔提出“神经元学说”奠定了基础。

神经元学说认为:神经元是单独、独立的细胞,而不是融合成一个连续细胞网;它们仍可通过突触形成相互联系的功能网络。

但是高尔基坚决反对神经元学说。他坚持认为:神经元是一个相互联系的细胞网络,其行为是一个单一实体。事实上,这也是当时大多数科学家的立场,直到拉蒙-卡哈尔的神经元学说得到确立。

图7:高尔基
图7:高尔基

1906年,诺贝尔奖委员会决定:由拉蒙-卡哈尔和卡米洛·高尔基共同分享该年度的诺贝尔生理学或医学奖。尽管这两位科学家对神经系统如何工作持有绝对相反的观点:如果他们两人之中一个人的观点是正确的,那么另一个人的观点肯定是错误的。

拉蒙-卡哈尔有更充足的证据支持他的观点。

而高尔基的获奖原因很可能是:“高尔基染色法”是拉蒙-卡哈尔能够证明神经元学说的基础。

为了“表彰他们在神经系统结构方面的工作”,拉蒙-卡哈尔和对手一起分享了诺贝尔奖。他曾在自传中感慨道:命运是多么残酷的讽刺,就像连体双胞胎那样肩并肩,把性格如此鲜明的科学对手配对在一起!

但是,他慷慨地表示:更富有同情心的是,诺贝尔奖的另一半非常正确地授予了帕维亚大学的杰出教授卡米洛·高尔基。他是我取得那些惊人发现所用方法的发明者。

图8:卡哈尔和四个孩子的合照
图8:卡哈尔和四个孩子的合照

圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔,这位曾经令父亲头疼的“不良少年”,思维敏捷,热爱艺术,他是少年发明家、鞋匠、理发师,也是大名鼎鼎的医生和神经学家。

他拥有如达芬奇附身般的绘画造诣,兼具对神经科学和大脑研究的探索之心,卡哈尔笔下复杂、美丽、精确的大脑内部原理图,带着科学的严谨与极致的美感,为我们揭开了大脑内部结构的神奇面纱!

在圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔的笔下,大脑那错综复杂瑰丽壮观的图景,让人不得不心生敬畏!

原文链接:

https://www.famousscientists.org/santiago-ramon-y-cajal/

资料来源:《Famous Scientists》

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编辑说明

编辑说明:原标题“绘制人脑图第一人”范围过宽且未获来源支持,本次采用“绘制神经组织图谱的先驱”。大约860亿神经元是2009年研究所报告的样本平均估计,不是所有大脑的固定数,也不能精确等同宇宙星系总数。高尔基染色简要说明改为银盐沉淀,不把复杂过程限定为单一盐在细胞膜上的固定。神经元是独立细胞并不表示它们没有相互联系的功能网络;两种历史学说的争论和共享诺奖事实保留。

补充参考资料

Azevedo等2009:大脑细胞数原始研究

改良高尔基浸渍原始技术研究

来源与编辑记录

根据博士科普公众号完整历史文章导出恢复。

校订说明:编辑说明:原标题“绘制人脑图第一人”范围过宽且未获来源支持,本次采用“绘制神经组织图谱的先驱”。大约860亿神经元是2009年研究所报告的样本平均估计,不是所有大脑的固定数,也不能精确等同宇宙星系总数。高尔基染色简要说明改为银盐沉淀,不把复杂过程限定为单一盐在细胞膜上的固定。神经元是独立细胞并不表示它们没有相互联系的功能网络;两种历史学说的争论和共享诺奖事实保留。

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