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果壳网 10-29

他可能是史上最尴尬诺奖得主:和死对头同台领奖,研究成果还被对方当场批评

以下文章来源于科研圈 ,作者科研圈

每一年的诺奖季,有人和合作者、学生、伴侣一同喜提诺奖,皆大欢喜;也有人和竞争对手同台领奖,不知他们当时是什么心情。一百多年前的一次演讲就因此留下了名场面——一位获奖者现场激烈批评另一位获奖者的工作,因为对方用他发明的技术推翻了他相信的理论

图 | Nobel prize.org

撰文 戚译引

这个故事要从一位立志成为画家的科学家说起。

1852 年,圣地亚哥 · 拉蒙 - 卡哈尔(Santiago Ramon y Cajal)出生在西班牙北部的纳瓦拉省。因为性格顽劣,他从小就被踢皮球一样从一间学校转到另一间学校,11 岁的时候甚至用自制大炮轰掉了邻居院子的大门。为了让孩子学会守规矩,父亲一度想让他去做学徒,将来当个鞋匠或者理发师。

但卡哈尔对绘画有着极大的热情和天赋。他的父亲是外科医生和解剖学教师,曾带着十几岁的他去墓地,搜寻人的尸骨进行研究。于是卡哈尔对绘画的热情转向了解剖学,随后进入父亲任教的萨拉格萨大学(University of Zaragoza)学习医学。到 31 岁那年,他当上了西班牙瓦伦西亚大学(University of Valencia)的解剖学教授。

约 1884-1887 年间,卡哈尔在实验室里 | Wikimedia Commons

在 19 世纪下半叶,细胞学说已经经过了约三十年的发展,人体中的许多细胞都得到了描述,但神经细胞仍然是个谜。这些细胞具备高度不规则的外形,朝外伸出一束束纤细的分支,谁也不知道这些分支延伸到什么地方、发挥了什么作用。不过,打破这个困境的技术已经诞生了十多年,它在等待卡哈尔发现它。

这次相遇发生在 1887 年。卡哈尔到马德里拜访精神科医生路易斯 · 斯马罗 · 拉卡布拉(Luis Simarro Lacabra)。拉卡布拉从法国学习归来,他对卡哈尔展示了自己学到的一种组织染色技术。卡哈尔被眼前的景象深深震撼:经过处理的神经组织标本放在显微镜下,一片浅黄色的背景当中,被染成黑色的神经元如同舒展枝叶的树木。

使用高尔基染色法染色的锥体神经元 | Wikimedia Commons

这就是高尔基染色法。

在厨房里切脑子的人

高尔基染色法得名于意大利科学家卡米洛 · 高尔基(Camillo Golgi)。高尔基发现了许多解剖结构,包括被写进中学生物课本的高尔基体,细胞内部的 " 中转站 "。但影响最为深远、并使他获得诺贝尔奖的成就,还是他在自家厨房里发明的" 黑色反应 "(black reaction)。

高尔基体 3D 示意图,来复习一下 | Wikimedia Commons

在此之前,学界研究细胞主要依靠两种方法。一种方法是将组织切片后使用苏木精(hematoxylin)或胭脂红染色,这种方法用于研究其他组织是够用了,但是对于神经细胞,它只能让细胞核周围的一圈着色,最多能够展示一些树突的基部。另一种方法是使用铬酸(chromic acid)或重铬酸钾(potassium dichromate)溶液浸泡,使神经组织固定、硬化,然后在显微镜下用针将神经元分离出来。这种方法也只适用于一些较大的神经细胞,那些纤细的轴突末梢都不可避免地在处理过程中被破坏了。

第一张神经细胞图片,发表于 1865 年,发表时作者奥托 · 弗里德里希 · 代特(Otto Friedrich Deiters)已经逝世 | Deiters, 1865

1873 年,高尔基染色法的诞生改变了这种局面。这种染色方法的步骤如下:

1. 将新鲜的神经组织用福尔马林固化,然后浸泡在 2.5% 的重铬酸钾水溶液中 1 至 45 天(有时需要更久);

2. 在 0.5% 至 1% 的硝酸银溶液中浸泡一定时间;

3. 将组织脱水并切割,不包埋;

4. 用振动切片机切成 60 微米厚的切片,放进蒸馏水中;

5. 将切片放置于正电荷防脱载玻片(superfrost plus sludes),风干 10 分钟 ;

6. 用 95% 酒精、100% 酒精脱水,用二甲苯清理,盖上盖玻片。

高尔基 | Wikimedia Commons

高尔基染色法只能让 1% 到 5% 的神经细胞染色。由于这种不可靠的性质,学界对这种方法反应冷淡,只有很少人使用它。高尔基感到灰心丧气,转而研究疟疾,竟鉴定出几种不同的疟原虫,声名鹊起。多年以后,这种方法才在另一位科学家——卡哈尔的手中重新发扬光大,但高尔基本人显然对此并不高兴。

重新发现高尔基染色法

只有少数细胞能被染色,这乍看之下是个缺陷,但在卡哈尔眼里它是个优点。如果所有神经细胞都被染色,在显微镜下看到的就会是一团乱麻。而使用高尔基染色法,被染色的细胞虽然占少数,但它会被整体染色,让卡哈尔得以观察单个神经细胞的完整结构。

卡哈尔作品,人类小脑中的浦肯野细胞 | Wikimedia Commons

等一下,神经细胞真的存在吗?

尽管早在 1865 年,德国科学家奥托 · 弗里德里希 · 代特(Otto Friedrich Deiters)就绘制了第一张神经细胞图片,但当时流行的观点认为,神经系统是一张错综复杂、无法分割的网。这就是环路理论(reticular theory)。

高尔基也是环路理论的坚定支持者。在转向疟疾研究之前,高尔基利用这种技术绘制了大脑的多个解剖结构。他观察到轴突存在广泛的分叉,他认为这是大脑和脊髓中遍布的网状结构的基础。

高尔基借助自己发明的染色方法绘制的海马体 | Wikimedia Commons

但使用高尔基染色方法,卡哈尔发现事实并非如此。在 19 世纪 90 年代,他绘制了一系列精美的图片,表明神经元尽管形状复杂,它仍然符合细胞的定义,是独立的结构。他描述了神经元的胞体、树突和轴突,证明这些复杂精细的结构都是从胞体生长出来的。更重要的是,神经元通过突触相互连接,进行信号传输,但它们没有发生融合,每个神经元仍然是独立的个体。这就是与环路理论相对立的神经元理论(neuron theory)。

凭借无可辩驳的证据和过人的洞察力,卡哈尔让学界同行纷纷放弃了环路理论,也为现代神经科学打下了基础。1906 年,诺贝尔奖评审委员会决定将生理学和医学奖授予高尔基和卡哈尔,以" 表彰他们在解释神经系统结构方面的研究工作 "

和死对头同台领奖

看着自己发明的方法被用来推翻自己维护的理论,高尔基的心情一定十分复杂。在颁奖典礼上,高尔基先发言,决定再为环路理论辩论一番。他说:

"很奇怪,我一直反对神经元理论,但是这个理论开始得到承认还是因为我的工作。我选择神经元作为我的演讲主题。现在这个观点大体上已经不受欢迎。"

接下来,他谈到大脑受伤后复原的能力、导航能力和整合不同功能的能力,他认为这些都是支持环路理论的证据。他还说:" 尽管这和将组成元素个体化的趋势背道而驰,但我仍然无法放弃这个观点,神经系统是整体行动的,别怪我坚守旧观念。"

面对比自己大 9 岁的前辈的公开批评,记录显示卡哈尔没有生气,而更多是尴尬。但他仍然不卑不亢,现场感谢了许多对他有帮助的人,并对听众们介绍了自己的工作。最后他说:

" 没错,从分析工作的角度来看,如果所有神经中枢都由运动神经……和感觉神经之间的连续中介网络组成,这将是非常方便且经济的。不幸的是,大自然似乎没有意识到我们的智力对便利和统一的需求,而常常对复杂性和多样性感到高兴。"

卡哈尔作品,一个溺亡的人小脑中的浦肯野细胞 | 卡哈尔研究所

高尔基一生反对神经元理论,直到 1926 年逝世。但以他的名字命名的解剖结构和染色方法仍然留在了教科书里,并且诺奖官网介绍,他是一位很好的老师,实验室永远对好奇的学生敞开大门。而卡哈尔后来写道,在分享诺奖方面," 命运是如此残酷而讽刺……将科学上个性鲜明的对手配到了一起。"

或许,卡哈尔和高尔基代表了两类不同的科学家。" 科学的主要贡献者可能会发明一种新方法,并花费数年时间进行观察,描述观察结果。但是,伟大的科学家所做的不仅如此。他们根据研究工作,提出了深刻的、一致的原理,来解释大量数据,并最终证明该理论是正确的。" 一本高尔基传记的书评写道。

参考来源:

1. Fishman RS. The Nobel Prize of 1906. Arch Ophthalmol. 2007;125 ( 5 ) :690 – 694. doi:10.1001/archopht.125.5.690

2. Ennio Pannese ( 1999 ) : The Golgi Stain: Invention, Diffusion and Impact on Neurosciences, Journal of the History of the Neurosciences: Basic and Clinical Perspectives, 8:2, 132-140, http://dx.doi.org/10.1076/jhin.8.2.132.1847

3. Mitchell Glickstein, Golgi: a life in science, Brain, Volume 135, Issue 1, January 2012, Pages 301 – 303, https://doi.org/10.1093/brain/awr207

4. Arpan R Mehta, Puja R Mehta, Stephen P Anderson, Barbara L H MacKinnon, Alastair Compston, Etymology and the neuron ( e ) , Brain, Volume 143, Issue 1, January 2020, Pages 374 – 379, https://doi.org/10.1093/brain/awz367

5. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1906/golgi/facts/

6. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1906/cajal/facts/

7. https://en.wikipedia.org/wiki/Camillo_Golgi

8. https://en.wikipedia.org/wiki/Santiago_Ram%C3%B3n_y_Cajal

9. 《追寻记忆的痕迹》,作者 : [ 美 ] 埃里克 · 坎德尔,译者 : 喻柏雅,后浪丨中国友谊出版公司

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