神经突触交流的化学派和放电派之争

在介绍Greengard的工作之前，我们先来了解一下神经细胞之间是怎么交流的。

Sir Henry Dale爵士是神经递质研究的先驱。第一个神经递质乙酰胆碱（acetylcholine），最早由合成靛青indigo染料的Adolf von Baeyer（小Perkin的博士导师）于1867年合成，但其作为神经体液物质（neurohumor，当时还没有神经递质neurotransmitter一说），最早是由Dale和Arthur James Ewins于1913年从麦角碱中分离出来的，Dale证明乙酰胆碱能降低血压9-10，但在动物体内是否有乙酰胆碱尚未知。

接着Dale的好友Otto Loewi做了一个经典的蛙心灌流实验，证实迷走神经通过释放某种神经体液物质来抑制心脏跳动11-12。他分离了两颗蛙心，一颗连着迷走神经，一颗去除迷走神经，两颗心通过Loewi好友Walther Straub发明的插管和少量生理盐水连接。然后他刺激了第一个蛙心的迷走神经来抑制心脏跳动，然后将该蛙心的生理盐水通过插管灌注入另一颗没有刺激的蛙心，结果后者的跳动也被抑制了，证实迷走神经通过释放某种神经体液物质来抑制心脏跳动。在后续的研究中，Loewi比较了多种化学物质，猜测这种体液物质最大的可能性是Dale早期分离的乙酰胆碱13。

Loewi的研究重新激起Dale对乙酰胆碱的兴趣（Dale在当时已经非常有名，第一次世界大战期间曾积极投身于战场医疗，担任多个政府行政职务，战后的主要科研兴趣是他早期分离的另一个物质组胺histamine在士兵伤口诱发炎症中的作用）。当时整个学界要么质疑Loewi实验的过程或结果（质疑可重复性或质疑神经体液物质是迷走神经放电刺激心脏后由心脏释放，在后续的研究中Loewi用高浓度的尼古丁麻痹心脏，然后收集迷走神经刺激但不跳动的第一颗心脏体液仍能抑制第二个心脏的跳动，试图说明神经体液不是由心脏释放的），要么承认神经细胞释放化学物质，但仅限于心脏这一特殊器官（Loewi本人最初也是这么认为的13）。

Dale后续的研究，包括和Greengard的导师Feldberg的合作，证明迷走神经连接心脏处释放的就是乙酰胆碱，不仅如此，迷走神经在其他分支也释放乙酰胆碱（这是后来神经科学戴尔法则的基础，详见下文），甚至整个副交感神经节在各个器官处都是释放乙酰胆碱，连运动神经细胞连接骨骼肌处也释放乙酰胆碱，而剥离神经直接刺激肌肉则不能释放乙酰胆碱，证明神经细胞释放神经体液可能是个普遍现象，而非特例。最终Dale和Loewi共享了1936年的诺贝尔生理学或医学奖。

图7. 1936年诺贝尔生理学或医学奖的两位得主。（图片来源自诺奖官网）

自主神经系统Autonomic Nervous System

Sir Michael Foster有两大弟子Walter Gaskell和John Langley，后者继承Foster担任剑桥大学生理系系主任。Gaskell出于对进化的兴趣，研究脊椎动物起源（Foster曾师从著名进化学家、达尔文的追随者赫胥黎Thomas Huxley，上文提到的Sir Andrew Huxley是他孙子。Thomas Huxley也曾担任英国皇家学会会长）。Gaskell解剖了多种脊椎、无脊椎动物神经系统，研究受自主意愿控制的四肢肌肉（骨骼肌）和不受控制的内脏肌肉（平滑肌和心肌）工作原理，最终系统的描绘了非自愿神经系统解剖结构并著书The Involuntary Nervous System。而Langley则通过各种药物刺激研究其生理功能，并将其改名为自主神经系统Autonomic Nervous System（并非完全不受控制）。

图8. 自主神经系统（图片来源自Wikipedia）。

Gaskell发现所有内脏都由两个神经细胞（称为节前细胞和节后细胞）相连（肾上腺例外），第一个神经细胞位于脑干和脊髓，将手伸向第二个神经细胞，第二个神经细胞再将手伸向内脏（肾上腺由第一个神经细胞直接连接）。根据第一个神经细胞在脊髓的位置和第二个神经细胞在内脏和脊髓之间的位置，Gaskell将自主神经系统分为三部分。现在我们将其中两个合并，将自主神经系统分为两部分：副交感神经系统（parasympathetic system，图蓝线，第一个神经细胞位于脊髓靠上和靠下部，第二个神经细胞主要靠近内脏远离脊髓），主要释放乙酰胆碱，负责休息状态时的消化、繁殖等功能；交感神经系统（sympathetic system，图红线，第一个神经细胞位于脊髓中部，第二个神经细胞主要靠近脊髓远离内脏），主要释放去甲肾上腺素，负责兴奋状态下的逃跑或战斗。

Loewi的蛙心灌流据说是做梦梦到的。如上文介绍，虽然当时神经网状理论已被否定，神经细胞之间存在个由谢灵顿命名的功能间隙叫突触synapse，但受网状理论影响，当时的主流认为突触间是通过放电的方式交流。Dale、Dale的导师Langley，Langley的另一个弟子Thomas Elliott等人则研究化学药物的生理学功能，提示突触间有可能是通过释放化学物质（当时他们主要研究的是乙酰胆碱和肾上腺素）进行交流。

受Dale等人的影响，Loewi思考如何设计实验证明化学传递学说，然后就睡着了。半夜醒来，拿纸笔记录了些什么，然后接着睡。第二天醒来后，只记得半夜好像写了很重要的东西，但发现根本看不懂自己的记录。好在第二天晚上又做了同一个梦，原来是设计了一个完美的实验，这次学乖了，马上跑到实验室把实验给做了。然后就有了上面获得诺奖的工作13-14。

Loewi是个非常热爱艺术的人，他在不同场合对梦的描述略有差异，提示可能存在虚构的成分13。最初的实验也很粗糙，可重复性很低，遭到多方质疑。但大概是因为他的艺术气质，他敢于发表文章并提出理论，再通过不断地改进方法和实验设计，发表更多的文章逐步完善自己的理论。

在1926年于斯德哥尔摩举办的国际生理学大会上，Loewi被邀请当众在主持人的指示下一步步地展示实验来回应质疑。好在彼时Loewi对实验已有很大改进，在会议过程中，他在同一颗蛙心上重复了不下18次实验15。

Loewi最初实验的成功有很多运气的成分在里面。我们现在知道，乙酰胆碱在突触中被乙酰胆碱酯酶降解，而Loewi用的蛙的品种在秋季时乙酰胆碱酯酶含量较低（在后来的实验中，他加入了乙酰胆碱酯酶抑制剂）14。他本人做迷走神经刺激实验的时候，就注意到乙酰胆碱对心脏兴奋性影响的季节性差异，这其中也有Carl Cori的贡献。

Carl的父亲是动物学家，Carl在一战结束之后还能做科研部分得益于他父亲给他寄去来的青蛙，让他用来研究迷走神经刺激对心脏兴奋性影响的季节性差异。Cori夫妇在移民美国之前，Carl曾师从Loewi研究乙酰胆碱对心脏的作用。移民美国后，因Geity Cori的父亲有糖尿病，他们才开始研究糖原代谢16。值得一提的是，从Loewi到Carl Cori到新晋诺奖得主David Julius已经是五代师徒诺奖传承了。

Dale除了研究副交感神经系统释放乙酰胆碱外，对交感神经系统释放的肾上腺素类物质也有研究，最终是由他的弟子Ulf von Euler确定该物质是去甲肾上腺素。von Euler对神经传递的兴趣，最初就是源自上文提到Loewi在会议上的实验展示，而后师从了Dale17。

另外一位美国科学家、哈佛大学（Harvard）生理系首任系主任Walter Cannon对交感神经系统也有更深入的研究，逃跑或战斗（fight or flight）便是由他命名的。他和Greengard的导师Feldberg都是神经递质研究的主要贡献者。

虽然Dale、Loewi、Feldberg、Cannon等人工作已经非常明确自主神经系统是通过释放化学物质进行交流，但对于骨骼肌、脊髓和大脑中神经细胞之间的交流，这种方式的反应速度似乎太慢了。当时的主流观点仍认为是通过放电进行交流。运动神经放电引起骨骼肌反射发生在一毫秒内（千分之一秒），而迷走神经释放乙酰胆碱作用于心肌至少有一百毫秒的滞后（后来随着电镜的发展，我们知道骨骼肌的神经肌肉连接和心肌的神经肌肉连接很不一样，运动神经细胞和骨骼肌的间隙很小，乙酰胆碱从神经细胞释放后能快速结合肌肉上的受体。

另外乙酰胆碱也有两种受体，一种快速反应的是离子型受体nAChR，一种慢速反应的是代谢型受体mAChR）。谢灵顿的弟子、与Hodgkin、Huxley共享诺奖的Eccles是支持放电交流的主要代表，其他支持者还包括Hodgkin的导师Herbert Gasser、Gasser的导师Joseph Erlanger、中国神经科学的奠基人之一冯德培的导师Ralph Gerard、另一奠基人张香桐的导师John Fulton、卡哈尔的弟子Rafael Lorente de Nó等。

Eccles认为运动神经细胞释放的乙酰胆碱只是起到营养作用，Fulton则认为乙酰胆碱只是代谢副产物。Cannon则在Science上发文回击18。对于化学传递太慢的质疑，Cannon回应这只是一种假设，事实上我们对化学物质在突触间跨过去到底有多快一无所知。相反，目前记录的神经传递都有毫秒级的滞后，如果是放电的话又怎么会有滞后？对于放电交流最大的质疑是，神经传递的效果，在有些地方是兴奋性的，在有些地方是抑制性的。我们的肌肉都是成对存在的，有收缩的也有舒张的。比如弯臂的时候，肱二头肌收缩（兴奋），肱三头肌舒张（抑制）。如果是放电的话又怎么解释抑制性？

当然，为此Eccles也提出了一个理论。当时用高尔基染色法发现脊髓里有个小的中间细胞，于是被命名为高尔基细胞Golgi cell（现在根据他的发现者Birdsey Renshaw命名为Renshaw cell），他的放电比较异常。于是Eccles在Nature上发文回应质疑19。

Eccles指出兴奋性的输入直接放电激活运动神经细胞，抑制性输入则通过高尔基细胞再到达运动神经细胞，它的电流不足以激活高尔基细胞，从而电流顺着高尔基细胞的轴突（手）传输到突触，穿透细胞膜进入运动神经细胞，再在局部穿透流出细胞，这样就在运动神经细胞局部形成一个电流塌陷或泄漏，可以抑制运动神经细胞和兴奋性的输入（图9）。有趣的是，Eccles说自己的理论也是做梦梦到的，因为Loewi第一个梦没记录清楚而差点错失重大发现，Eccles说特意让自己保持清醒，回忆梦的每一个细节，发现他的理论可以完美解释所有已知抑制性传递现象20。

图9. Eccles提出的模型来解释抑制性神经传递。X为局部电流塌陷（作者汉化）19。

化学交流的支持者主要是用药理学的研究方法，放电交流的支持者主要是用生理学的方法。虽然各有各的证据，但双方都不承认彼此。生理学家是传统的学院派，研究高大上的电信号。他们看不起药理学家，尤其是药理学家往往和药厂有联系，有损科学家尊严。Dale的求学之路基本上都是靠奖学金走过来的，所以在其独立的时候，去了有更多资金支持的Wellcome药厂担任生理实验室主任，虽然他的一些朋友并不支持。

Wellcome Trust

Wellcome Trust是现在英国最大的私立科研基金，基金来自Burroughs Wellcome药厂，由Silas Burroughs和Sir Henry Wellcome共同创立，现已与其它药厂合并成立全球最大的药厂之一葛兰素史克GSK。Burroughs在一次极限骑行中得了肺炎去世后，药厂就由Wellcome掌控。Wellcome极力支持科研和医药，建立了多个研究室和医院，还有一个医学史博物馆。Wellcome承诺了Dale科研自由，但也建议Dale研究一下麦角碱，由麦角菌感染麦类产生的生物碱。麦角碱的医用已有较长的历史，产婆用其来促进子宫收缩助产。当时他们的竞争对手Parke Davis药厂（现已并入辉瑞Pfizer）正着手标准化麦角碱提取物用于医用。Dale从麦角碱中分离了乙酰胆碱、组胺等多种化学物质。有名的致幻剂LSD也是后人从麦角碱中分离前物再合成的。

知名生物学期刊eLife是由Wellcome Trust、美国最大的私立科研基金组织Howard Hughes Medical Institute （HHMI，创始人Howard Hughes是与现在的Elon Musk类似的商业传奇人物）和德国马普基金共同创立的。

在50、60年代，Arvid Carlsson等人研究多巴胺的时候，突触通过化学还是放电交流正吵得热烈，所以根本没人在意Carlsson的研究——多巴胺的反应太慢了，甚至含有神经毒性（多巴胺的氧化毒性也是帕金森症的理论之一），没人关心多巴胺是不是神经递质21。即便事实上多巴胺最早是由Dale、Ewins等人于1910年在Wellcome药厂合成、检测的22-24，并由Dale于1952年5月在剑桥举办的生理学年会上将其正式命名的（dopamine，此前的文献里用的词是3-hydroxytyramine）25。

都说老人就像小孩一样，70七十多岁的诺奖获得主者Dale和还未获诺奖的50五十来岁的Eccles吵得面红耳赤，他们形成了两大阵营：放电派（the sparks，火花）和化学派（the soup，汤）21、26。但最终，还是Eccles做实验证明了自己的高尔基细胞理论是错的。当时电生理学家主要用的是细胞外记录的方法，对于检测细胞内电压变化灵敏度较差，除了Hodgkin和Huxley用的枪乌贼大轴突能将电极直接插入到轴突内。

1946年冯德培的硕士导师Ralph Gerard发明了玻璃电极，他将拉得很细的玻璃管里注入生理盐水，然后玻璃管针头直接插入细胞内实现细胞内记录。Eccles用Gerard发明的玻璃电极记录运动神经细胞，根据他的放电派高尔基细胞理论，抑制性的神经电流穿透入运动神经细胞，细胞内电压应该上去；根据化学交流理论，抑制性的神经传递释放化学物质抑制细胞活性，细胞内电压应该下去。

结果Eccles记录到电压下去了（这个抑制性的电压我们现在称为抑制性突出后电压inhibitory post-synaptic potential, IPSP），自然也就否定了他的理论，而支持化学派理论。除此之外，Eccles也记录了兴奋性的输入（称为兴奋性突触后电压excitatory post-synaptic potential, EPSP），发现突触后的电压变化远大于突触前的电压变化，突触并不能起到电压放大器的作用，那么一定是有化学物质释放，然后激活其它电流，比如Hodgkin和Huxley记录的钠离子电流。

Eccles无疑是伟大的，当实验数据不支持自己的理论时，他能果断放弃自己的理论，转而支持敌对方的理论。Eccles的文章和Hodgkin、Huxley的五篇长文一样，于同一年发表在生理学期刊上27，三人也于11年后共享了诺奖。Eccles在文章发表之前还第一时间和Dale分享了实验结果，并从此和Dale一起手拉手推动神经递质学说。Eccles还将Dale提出的一条命名法则尊称为戴尔法则（Dale’s principle或Dale’s law）。

如上文描述，Dale发现迷走神经所有分支都释放乙酰胆碱，提示一种神经细胞只释放一种神经递质，于是建议对神经细胞以其所释放的神经递质来命名。现在我们将释放兴奋性神经递质谷氨酸的细胞命名为谷氨酸能神经细胞（glutamatergic neuron），将释放抑制性神经递质GABA的细胞命名为GABA能神经细胞（GABAergic neuron），那么释放多巴胺的神经细胞便称为多巴胺能神经细胞（dopaminergic neuron）。

当然，我们现在知道戴尔法则是不太正确的。上世纪70年代，Salomon Langer等人最早报道了可能存在着神经递质共释放的现象28，现在我们知道大部分神经细胞存在着神经递质共释放的现象，除了上述经典的神经递质外，同一个神经细胞还可以释放其他多种神经多肽、激素等，例如我们自身合成的内源性鸦片——脑啡肽（enkephalin）、哺乳相关的激素——催产素（oxytocin）、压力应激相关的促肾上腺皮质激素释放激素（CRF）、调控饮食相关的刺鼠相关肽（AgRP）等。

经典的神经递质也存在共释放现象。比如哥伦比亚大学（Columbia）的David Sulzer（他还是个作曲人和乐手，并以David Soldier的名字出过多张专辑）曾发现多巴胺细胞还能共释放谷氨酸29。斯坦福大学（Stanford）华人神经科学家丁军发现部分黑质多巴胺细胞还可以共释放GABA30-31。英国分子生物学实验室（MRC-LMB）的任婧在博士师从神经科学家罗敏敏时，便发现部分缰核（habenula）可以共释放乙酰胆碱和谷氨酸32。

罗敏敏还发现中缝背核（dorsal raphe）细胞除释放血清素外也能共释放谷氨酸33，支持20年前由Mark Johnson在体外培养的细胞上的发现34。笔者读博期间也发现部分蓝斑核细胞（Locus Coeruleus，和黑质多巴胺细胞一样，也分泌黑色素，在解剖上呈暗蓝色，在帕金森症中也死亡，与帕金森症的非运动症状相关）可以共释放去甲肾上腺素和谷氨酸，并首次阐述了神经递质共释放的可能生理功能35。这一系列研究也证实了20多年前Kaneko等人的猜想：所有单胺类神经细胞都可以共释放谷氨酸36。

Eccles的叛变让很多放电派支持者不满，他们认为在脊髓中应该还是以放电交流为主，而大脑中神经细胞之间必定是只通过放电进行交流。最终神经递质学说被学界接受是个漫长的过程，是由多个研究一起推动的，包括多巴胺的研究发现多巴胺是种神经递质、电镜的发展使科学家在轴突的末端观察到一个个储存神经递质的囊泡等。

在这过程中，Dale的弟子von Euler发现去甲肾上腺素储存于一个个囊泡中；Eccles、Hodgkin和Huxley的弟子Sir Bernard Katz（Hodgkin和Huxley五篇经典长文中第一篇的共同作者）发现神经递质定量释放（quantal release）现象，它的释放量总是某一最小单位的倍数，这一最小单位就是单个囊泡的释放量；Brodie的弟子Julius Axelrod发现肾上腺素和去甲肾上腺素经释放后，可由突触回收，再储存于囊泡中用于下次释放（参考第一期神经递质已吹泡泡形式储存、释放、回收）。他们仨因此共享了1970年的诺贝尔生理学或医学奖。我们现在知道某些神经细胞之间确实可以通过直接放电交流，但通过释放神经递质交流是主流。

图10. 1970年诺贝尔生理学或医学奖的三位得主。（图片来源自诺奖官网）

Dale培养了众多学生，有生理学、药理学、生物化学和分子生物学的领军人物，其中有4位获得诺贝尔奖。Greengard的导师Feldberg在希特勒上台后，逃离德国投靠Dale。他在加入Dale实验室之前就已经做出众多重要工作，他带来的用水蛭肌肉检测乙酰胆碱释放的方法，大大提高了检测灵明度，是Dale后期工作的关键技术。另外还有与Banting医生一起发现胰岛素用于治疗糖尿病的22岁的医学在读生Charles Best，后来也跟随Dale读了博士。

Loewi后来在纳粹德军攻入奥斯陆后被关了两个月的监狱。在提交所有财产（包括还存在瑞典银行的诺奖奖金）后，在Dale的帮助下去了英国，再在Cannon的帮助下去了美国度过余生。

对于化学派和放电派之争的这段精彩神经科学发展史、其中关键人物的贡献和人生遭遇感兴趣的读者，笔者推荐一本很好的科普书The War of the Soups and the Sparks: The Discovery of Neurotransmitters and the Dispute Over How Nerves Communicate.

Greengard成立实验室之时代背景

1968年Greengard 成立实验室的时候，神经细胞以释放化学物质进行交流还是以放电进行交流的争论基本上已经落下帷幕了。当时的科学家知道有两种神经递质，一种反应快，一种反应慢。快的，比如兴奋性神经递质谷氨酸，激活谷氨酸AMPA受体后，受体构象改变，特异性允许钠离子（Na+）通过。细胞外钠离子浓度高于细胞内，于是钠离子内流，钠离子带一个正电荷，其内流导致细胞内电压上升。

再比如抑制性神经递质GABA，激活GABAA受体，受体构象改变，特异性允许氯离子（Cl-）通过。细胞外氯离子离子浓度高于细胞内，于是氯离子内流。氯离子带一个负电荷，其内流导致细胞内电压下降。生理盐水氯化钠（NaCl）的浓度便是细胞外钠离子和氯离子的浓度。

离子通道与神经细胞放电（动作电位）

当神经细胞的树突脚接受并整合各种信号后，包括兴奋性和抑制性的，最终细胞内电压如果达到一个临界点，就会放电，如果达不到临界点，就不会放电。这便是神经细胞全或无放电的机制。这个临界点是轴突手的根部（靠近细胞体处，相当于腋窝部分）富集着大量电压门控钠离子（Na+）通道，这些钠离子通道的激活受电压控制。

当从树突传递过来的电流使细胞去极化达到电压门控钠离子通道的临界点，比如从-70mV（毫伏）到-55mV，电压门控钠离子通道打开，大量钠离子迅速内流，电压一下子窜到+20mV。然后电压门控钾离子（K+）通道打开，大量钾离子外流（细胞内钾离子浓度高于细胞外），电压又回到了-70mV，这便是神经细胞的一次放电（firing）或脉冲（spike），专业术语称为动作电位（action potential）。经典的Hodgkin-Huxley模型就对电压门控钠离子和钾离子通道在不同电压下的激活和去激活状态及它们在放电过程中的变化做了细致的研究。

图11. 典型的大脑皮层神经细胞一次放电（动作电位）的全过程37（作者汉化）。

图12. Hodgkin和Huxley在枪乌贼巨型轴突中记录的动作电位过程中钠、钾离子电流变化7。

上图的电压变化就是图10的动作电位全过程，读者可以看到在电压上升期，主要的电流是钠离子电流，在电压下降期，钠离子电流变小，钾离子占主导地位。

和神经递质结合后直接打开离子通道导电的受体称为离子型受体（ionotropic receptor），比如上文提到的AMPA受体、GABAA受体、nAChR等；另一类本身并非离子通道，但和神经递质结合后会通过影响其它离子通道而导电的受体，称为代谢型受体（metabotropic receptor）。代谢型受体反应慢，比如多巴胺受体、去甲肾上腺素受体、大部分血清素受体、mAChR等。但在当时，从神经递质结合代谢型受体到改变神经细胞活性，中间发生了什么并不清楚。Greengard猜测，这是一个和代谢系统类似的生化反应过程。他有较强的生化和分子生物学背景，他决定去挑战这个难题。

我们再来看一下当时的背景。在1968年Greengard成立实验室的时候，神经科学作为一门学科其实还不存在，当时实验神经科学研究主要有两派，一派是传统的生理学，研究神经细胞电信号；一派是新兴的、以生物化学、化学药理学为研究方法的神经化学，毕竟神经细胞也是细胞，神经细胞也释放化学物质，细胞内也有化学反应。就像当年的放电派和化学派之争一样，这两派的人很少有交集，彼此不太懂对方，也都不太看得上对方——生理学家自认为研究的是高大上的、活的、放电的细胞，化学家则研究的是从细胞里提取的蛋白，在试管里做的化学反应，不太关心大脑里发生了什么。

当时，我国中科院里研究神经科学的是中科院生理生化所的生理学部，1958年分出成立了中科院生理所，再后来生理所研究脑科学的再又分出来成立了中科院脑研究所，最后直到1999年才改名有了为中科院神经所。生理所的前辈们都是传统的生理学家，比如冯德培、张香桐，他们比Greengard年长十几岁，是同时代的人物。张香桐曾师从过谢灵顿的弟子John Fulton、谢灵顿和Eccles的弟子David Lloyd，冯德培则曾师从过中国生理学奠基人林可胜、和谢灵顿共享诺奖的阿德里安、Eccles、Langley的弟子Archibald Hill、和Hill的弟子Ralph Gerard38-39。

对研究生理学的人而言，Hodgkin-Huxley模型如此之美，外行实在难以了解。别说离子通道的电导（G）和电压（V）关系的玻尔兹曼公式（Boltzmann equation），就简单点的，计算离子通道电流大小的驱动力可能都不一定理解对。比如学生物化学的人都知道钙离子（Ca2+）很重要，细胞糖原合成分解、线粒体氧化呼吸过程中很多酶都是钙离子依赖的，那么钙离子是在什么时候进入细胞的呢？十有八九会觉得钙离子肯定是在动作电位的上升期进入细胞，因为电压上升了，离子通道开始打开了。

但事实上大部分钙离子是在动作电位下降期进入细胞的。我们都知道电流等于电压除以电阻（I=V/R），对离子通道而言，电阻则可用反过来的电导替代（conductance，G=1/R）），电压则是绝对电压和逆转电位差，也就是驱动力（driving force，V-Erev）。那么离子通道电流大小就是电导和驱动力的乘积I=G(V-Erev)。

逆转电位（reversal potential，也称equilibrium potential平衡电位）是指细胞内外电压差对带电的离子的驱动力和离子浓度差的势能相等，这时离子通道打开，离子不内流也不外流。电压偏向一边，则离子顺着浓度差方向流；偏向另一边，则在电压驱动下逆着浓度差方向流。

动作电位的上升期钠离子顺着浓度差移动，电压向钠离子的逆转电位（+50-60mV）靠近；动作电位的下降期钾离子顺着浓度差移动，电压向钾离子的逆转电位(-90mV)靠近。钙离子的逆转电位大概在+130mV，所以电压越小，离+130mV越远，驱动力越大。在动作电位的下降期，钙离子通道全部打开还没来得及关闭，所以电导最大，随着电压下降，驱动力也越来越大，大量钙离子涌入细胞，直到通道关闭。

图13. 多巴胺细胞单个动作电位过程中钠、钙离子电流变化（左37）和钙离子浓度变化（中右，作者供图）。

左图：用电极直接记录钠、钙离子电流大小变化；中右：根据双光字钙成像推算出钙离子浓度变化，注意钙离子浓度反应的不仅是钙离子电流，还包括钙离子缓冲和释放（钙结合蛋白、内质网、线粒体）。

可以想像，当一个生理学家对一个神经化学家津津乐道钙离子什么时候进入细胞时，后者其实根本不感兴趣。他们用的方法是将动物杀死，从组织、细胞中提取蛋白，在体外做实验。管你钙离子进不进细胞，直接提取酶，测酶活就好了。在他们看来，生理学家太顽固，研究进展也太慢。比如David Hubel和Torsten Wiesel研究视觉系统，一点点累积，总共花了20多年才研究明白。

但神经化学家基本上一两年几篇文章就解决了神经科学一个重大问题。比如Bernard Brodie，在研究抗疟药和其它药物代谢之后，将兴趣投向抗精神药物研究，用化学药理学的方法于1955年连发三篇Science文章，发现利血平能清空血清素，一时使血清素理论成为精神分裂症的主要理论。Brodie的弟子Carlsson发现利血平还能清空多巴胺，最终奠定了精神分裂症的多巴胺理论（参考第一期对Brodie和Carlsson文章的比较及第二期介绍Carlsson是如何研究多巴胺的）。

再比如生理学家已经知道乙酰胆碱在突触中被乙酰胆碱酯酶降解，但肾上腺素和去甲肾上腺素在突触中是怎么被清除的却一直没研究明白。神经递质必须在短时间内从突触清除，还受体自由，不然连续两次神经放电，第二次释放的递质就不能结合受体，就没有效果了。

Brodie的另一弟子Julius Axelrod （上文提到的和Greengard一样43岁成立实验室的诺奖获得者），仅用两年时间，不仅发现了代谢肾上腺素和去甲肾上腺素的一个酶COMT（事实上也是代谢多巴胺的酶），而且还发现肾上腺素和去甲肾上腺素在突触不是被代谢，而是被突触前细胞的手回收，用于下次放电时再释放40。

Axelrod的弟子、Greengard的好友Solomon Synder，也只用了两年时间就找到了阿片受体41，推动神经递质受体的研究，才31岁便成了约翰斯·霍普金斯大学史上最年轻的正教授。1980年，学校为年仅42岁的Synder专门成立神经科学系，任命他为系主任。后来为纪念他，将神经科学系改名为Solomon Synder神经科学系。Synder的弟子David Sabatini仅用了一年时间就分离纯化了mTOR42，博士毕业就直接在MIT开始了独立职业生涯（可惜最近因性骚扰丑闻而被研究所和HHMI解雇）。

图14. 约翰斯·霍普金斯大学Solomon Synder神经系。（图片来源自约翰斯·霍普金斯大学神经系官网）

现代神经科学就是在那个时代，结合实验科学方面的传统生理学、已经成熟的生物化学、药理学、正在蓬勃发展的分子生物学、刚刚起步的遗传学，以及偏向临床的神经解剖学和心理学，才正式成为一门新的学科。

在Greengard所处的现代神经科学萌芽时代，在科研上做出重大贡献的往往是有大格局，不局限于方法、动物模型、派别的人。这也是为什么现在特别重视交叉学科。Greengard赶上了能将他所学各派之所长都发挥出来的时代。