・国际学术动态・20世纪神经科学发展中10项诺贝尔奖成就简介韩济生 神经科学(Neuroscience)一词开始出现于20世纪60年代,泛指与神经系统的结构和功能有关的知识和研究,也称“脑科学”。

人类对脑的了解落后于对其它器官的了解,这主要是由于神经系统,尤其是神经系统高级中枢———脑的结构的高度复杂性(上千亿个神经细胞按不同层次组合),和功能的高度复杂性(下至简单的反射活动,上至创造性的思维活动)。

人类对自身脑的了解走过的漫长道路中,诺贝尔生理学或医学奖获得者作出了巨大的贡献。

复习这一过程有助于了解科学发展的客观规律,对推动未来科学的发展当有所助益。

但必须指出,诺贝尔生理学或医学奖的颁发仅有100年历史,此前的历史人物不可能包括在内;诺贝尔奖规定只颁发给现存的科学家,而许多科学家在作出贡献的当时可能并不被同时代人所理解,只有在时间的考验中才逐渐得到公认,而那时其本人可能已经谢世。

因此可以把诺贝尔奖获得者的工作看作是科学发展的某些里程碑,而并不反映科学发展的全过程。

自1901年首次颁发生理学或医学奖以来,100年来共授予98个奖项,其中与神经科学有关的将近20项。

为了做到“用获奖工作将神经科学发展的轨迹粗线条地展示出来”,我们从百年来与神经科学有关的30余位获奖者中选出24位科学家加以介绍,并列表加以展示,从表中可以看出他们的生(卒)年份、获奖年份及主要成果。

　一、了解神经系统结构,为功能研究打下基础构成脑的最小单元是神经细胞(神经元),要在显微镜下进行观察必先将其染色。

意大利细胞学家C.G olgi(高尔基)于1879年将脑徒手切成薄片,用铬酸盐-渍银法染色,在显微镜下看到了神经元和神经胶质细胞,这是神经科学史上一项重大突破。

西班牙神经组织学家Ramon y Cajal(卡哈尔)在马德里大学毕业后,迅速学习了G olgi的方法并加以改进,1903年建立了还原硝酸银染色法,能显示最细的神经末梢,用此法对脊神经在脊髓内的分布作了大量的系统研究,提出神经元与神经元之间没有原生质联系,仅有接触关系。

这种二个或多个神经元之间的“接触”,后来被英国学者谢灵顿命名为“突触”。

高尔基和卡哈尔先后配合,提出了“神经元学说”,为尔后对神经系统的功能研究打下坚实基础,从而获得1906年诺贝尔奖。

二、功能研究由整体实验走向单纤维记录C.S.Sherrington(谢灵顿),英国牛津大学生理学教授,通过详细分析研究膝跳反射,认为反射是神经系统基本的活动形式。

他首先提出突触的概念,认为传入神经纤维的末梢在脊髓中与运动神经元的树突或胞体形成突触,完成一个脊髓反射。

并指出脊髓中管理伸肌的运动神经元发生兴奋时,管理屈肌的运动神经元必然发生抑制,才能保证运动顺利进行,即兴奋与抑制要互相配合,才能完成一个动作。

由此,把神经系统的活动看作是有客观规律指导,而不是神秘不可测的,对生理学的发展作出了极大贡献。

E.D.Adrian(艾德里安),英国生理学家,剑桥大学生理学教授,在单根神经纤维上记录到电活动,即神经冲动。

证明这些传入神经冲动可以到达大脑,引起脑电变化,也可以通过中枢联系经传出神经支配肌肉收缩,从而把谢灵顿的反射学说具体化了。

换言之,Adrian把谢灵顿的生理学概念用电生理方法加以证实。

这两位英国学者共同获得1932年诺贝尔奖。

三、由电生理研究向神经化学研究的过渡神经冲动沿传出神经纤维到达下一个神经元或支配肌肉细胞,是通过什么途径使下一个细胞发生兴奋的呢?谢灵顿认为是通过电兴奋来传递信息,另一种设想是神经末梢分泌(释放)出某种化学物质,使下一个细胞发生兴奋。

下面两位科学家分别从不同角度证明后一假设是正确的。

D.Loewi(勒韦),德国生理学家,后转为美国籍。

他在1921年进行了一个著名的实验,蛙的心脏受迷走神经支配,电刺激蛙迷走神经,蛙心跳即被抑制。

如果用液体灌流蛙心,把灌流液注入另一个蛙的心脏,后者也被抑制,证明迷走神经末梢能分泌出某种“迷走物质”,抑制心脏活动,后被证明该物质即乙酰胆碱。

H.H.Dale(戴尔),英国生理学家。

他在1930年证明副交感神经(包括迷走神经)末梢能分泌出乙酰胆碱,而且证明交感神经的节前纤维和运动神经的末梢也都能分泌乙酰胆碱,这样就把神经化学研究方法与神经生理研究结合起来,牢固地建立了突触的化学传递学说。

Dale的开创性工作对神经药理学的创建起了不可磨灭的作用。

这两位科学家共同获得1936年诺贝尔奖。

四、方法学的进步为神经科学的大发展开辟道路两位美国科学家J.Erlanger(厄兰格)和H.S.G asser(盖塞)发展了阴极射线示波器,可以记录神经纤维上微小的电位变化,即动作电位。

并证明神经纤维越粗,传导冲动的速度越快,可根据冲动传导速度将神经纤维分为A、B、C三类。

这一方法学的进步,为深入细致的电生理研究打下坚实基础。

从而获得1944年诺贝尔奖。

瑞士学者W.R.Hess(赫斯)发明了脑立体定位仪,可以根据三维座标将电极插入动物脑的特定核团进行刺激或损毁,从而开启了在自由活动的动物上进行脑深部(包括下丘脑)研究的大门。

获得1949年诺贝尔奖。

“欲穷千里目,更上一层楼”。

以上两项方法学的进步,为进一步研究脑功能创造了必要条件。

五、神经元动作电位与突触电位的测定J. C.Eccles(艾克尔斯),澳大利亚生理学家。

曾去英国师从谢灵顿从事反射活动的研究。

回到澳大利亚后从事电生理研究,把微电极插入猫脊髓的前角细胞内记录电活动;并记录神经与肌肉接头处的终板电位,其性质与神经元之间突触电位很相似。

还证明突触部位不仅有兴奋性递质,还有抑制性递质,证实了谢灵顿晚年强调的抑制性突触的存在。

由于约翰・艾克尔斯教授讲课中经常强调“突触”的重要性,学生们谑称其为“突触约翰”。

A.L.Hodgkin(霍奇金)和A. F.Huxley(赫胥利),两位英国生理学家共同合作,利用微电极和阴极射线示波器为武器,采用枪乌贼的巨大神经纤维作为实验对象,深入研究神经纤维上的动作电位,描述了安静时的静息电位,和神经冲动到来时的动作电位,揭示这些电变化是细胞膜对钠、钾等离子的通透性发生一系列先后相继的变化而产生的结果,并用计算机编制成一个计算动作电位各项参数的理论公式,与实际情况非常吻合。

这些理论性研究成为电生理学的经典著作,也为心电图等的临床应用开辟了道路。

以上三位学者共享1963年诺贝尔奖。

B.Katz(卡茨),德国生理学家,后入美国籍。

他与霍奇金共同研究神经动作电位,还用微电极在神经肌肉接头处记录了微终板电位,认为单根神经末梢自发释放出单个囊泡中所含的乙酰胆碱,可以引起一个极微小的终板电位。

当神经冲动到来时,许多神经末梢同时释放出大量乙酰胆碱,可引起终板电位。

这些研究为神经末梢的“量子释放”理论打下基础。

卡茨与其他两位科学家共享1970年诺贝尔奖。

六、交感神经的神经递质上文曾说明1936年的诺贝尔奖授予勒韦和戴尔,他们发现了乙酰胆碱是迷走神经末梢释放的递质。

这里要介绍两位科学家发现交感神经末梢释放的神经递质———去甲肾上腺素,它和肾上腺素共属于儿茶酚胺。

U.Von Euler(冯尤勒),瑞典生理学家。

1946年发现交感神经末梢释放的神经递质是去甲肾上腺素(NA),并深入研究了NA的生成、储存、释放、重摄取等整套的代谢过程。

他是神经化学、神经药理学奠基人之一。

J.Axelrod(阿克塞尔罗德),美国生物化学家,曾师从美国生化药理学创始人B. B.Brodie,成为Brodie的得力助手。

从1949年起集中研究儿茶酚胺在生物体内的代谢过程,并发现可卡因、苯丙胺等可以阻断儿茶酚胺的重摄取过程,为研制治疗高血压、帕金森病的药物开创新途径,他是分子药理学的创始人之一。

冯尤勒和阿克塞尔罗德的工作相辅相成,在发展神经化学、神经药理学方面作出巨大贡献,与卡茨一起共获1970年诺贝尔奖。

七、从比较简单的外周神经转向更为复杂的脑的结构和功能R.W.Sperry(斯佩里),美国心理生理学家。

1952年他进行了分裂脑的研究,将猫和猴大脑两半球之间的胼胝体切断,发现两半球各自保留自身的学习能力,但两半球之间不再能进行信息传递。

以后又将癫痫病人联系左右脑的胼胝体切断作为治疗措施,并进行细致研究,发现左脑偏重抽象思维,右脑偏重空间认知。

D.Hubel(休伯尔),美国神经生理学家,T. Wiesel(威塞尔),瑞典医学家。

他们共同合作对与视觉有关的大脑皮层的结构与功能进行了深入研究。

得出两方面重要结果:(1)大脑不同部位有职能分工,视觉皮层以细胞柱为功能单位,分别有取向柱(分辨线条的方向)和优势柱(分别以左眼或右眼作为优势眼),对视觉信息进行加工;(2)出生早期视觉皮层的发育受环境影响,具有很大的可塑性。

这些发现对了解大脑皮层的信息加工规律有重要价值。

以上三位科学家共享1981年诺贝尔奖。

八、分子神经生物学的崛起引人注目意大利神经生物家L.Montalcini,由于发现了神经生长因子而荣获1986年诺贝尔奖。

这一发现不仅有助于神经缺陷的修复,而且带动了许多新的神经营养因子的发现。

德国电生理学家E.Neher(尼尔)和B.Sak2mann(萨克曼),应用改进的膜片钳技术,可以记录细胞膜上单个离子通道的电流量。

为从分子水平阐明神经元活动打下基础,获1991年诺贝尔奖。

九、从快突触传递到慢突触传递A.Carlsson(卡尔松),瑞典哥德堡大学药理学教授,发现多巴胺(DA)不仅是儿茶酚胺的前体,而且是独立的神经递质,其突触在中枢的运动控制功能和精神活动方面发挥重要作用。

脑内某些部位DA功能不足或过盛可导致帕金森病和精神分裂症。

P.Greengard(格林加德),美国洛克菲勒大学分子和细胞生物学教授,研究了DA的作用机制,发现DA作用于细胞膜受体后,激活细胞内第二信使,转而激活蛋白激酶,使某些蛋白质磷酸化,才能发挥生理效应。

这些研究揭示了“慢”突触效应的生化基础。

E.Kandel(坎戴尔),美国纽约哥伦比亚大学神经生物学教授,发现细胞内蛋白质的磷酸化可以加强突触传递效率,构成了短期记忆的基础;而多次强烈的突触传递活动可影响神经元内的蛋白合成,改变突触结构,构成长时程记忆的基础。

以上三位科学家共获2000年诺贝尔奖。

由于篇幅有限,本文只提出10个奖项加以介绍,实际上象1977年获奖的guillemin,Shally, Yalow等的工作在发展神经科学、特别是神经内分泌学方面作出的巨大贡献是广为人知的。

这样的例子还很多。

但仅就本文提出的10项研究成果,也可大体看出20世纪神经科学发生发展的框架。

可以预期,目前关于基因组学的研究,关于神经干细胞结构功能的研究,关于脑影象的研究等等,必将更加丰富神经科学的内容,在下个世纪的诺贝尔奖授奖台上发出熠熠光辉。