神经科学之父的奇幻画作
利维坦按：7年前，牛津出版社出过一本《卡哈尔灵魂的蝴蝶》（Cajal’s Butterflies of the Soul），里面不仅收录了卡哈尔精美的画作，还有卡米洛·高尔基的绘画作品。
《卡哈尔灵魂的蝴蝶》
提到高尔基，很多人知道他的“高尔基染色法”，即铬酸盐-硝酸银染色法，他称为“黑色反应”，从而能够清晣地辨认出神经细胞及其突起，并发现脑和脊髓的细微结构。高尔基同时也是一位出色的画家：
高尔基绘制的嗅球神经组织结构
卡哈尔曾说，“如同不断追寻缤纷美丽蝴蝶的昆虫学家一样，我被神经灰质的后花园深深吸引。那里有形态精致优雅的细胞，还有那谜一般的灵魂的蝴蝶。谁知道呢，说不定哪天它一振翅，就能揭开精神世界的神秘面纱”。从某种意义上来说，或许正是其父亲想让卡哈尔成为一名医生的愿望，反而成就了他在神经学领域的艺术天赋吧。
当然，更重要的在于，卡哈尔提出的神经元假说（即神经组织是由单一神经元相连而成，神经元包含胞体、树突及轴突，神经之间通过突触彼此联结）事后被证明是正确的。
雕塑家瑞贝卡·卡门（Rebecca Kamen）依据卡哈尔的作品灵感而制成的“灵魂的蝴蝶”
文/Marissa Fessenden
译/宋玮婕
校对/石炜
原文/www.smithsonianmag.com/arts-culture/revel-these-wondrous-drawings-father-neuroscience-180961881/
对于高深莫测的神经科学研究者，这些图片再形象不过：围绕着小小的黑色斑点，发散出精巧的分支结构。或轻或重的笔触勾画出三维立体效果，让人联想到冬日的枯树。这些神经细胞示意图，正是出自神经解剖学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal）之手。
本图为锥体神经细胞，分布于人类大脑皮层，得名于画面中央形状为金字塔的主树突。大脑皮层整合来自感官的信息，指令动作，并且作为更高级大脑活动的控制中枢，比如意识。卡哈尔将这些突触或者树突，用不同的线宽示意其三维分布。本图中为锥体神经细胞的概念模型，为数次观察的整合结果。
五十年间，卡哈尔（1852-1935）创造了2900多幅神经细胞示意图。花费了无数细致观察的时间，卡哈尔才创作出这些画作，并得出神经解剖学的两则基本原理。首先，他推断大脑由许多独立的细胞构成，即神经细胞，而非如蜘蛛网般相互融合的细胞（当时很多人支持网状理论）。其次，电信号在神经细胞之间单向传导：树突接收到脉冲，传导至神经元，再沿着轴突传导——这些突触将大脑的各部分相互连接。
卡哈尔三十多岁时，在其图书馆照的自拍像。
因其卓越的贡献，卡哈尔与卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）共同获得了1906年的诺贝尔生理学或医学奖（编者注：这也是诺贝尔生理学或医学奖第一次同时颁给两位获奖人）。高尔基发明了组织染色法，卡哈尔用此方法观察到独立的神经元。难以置信的是，其他研究者在数十年后才证实了卡哈尔关于大脑结构和功用的理论。如今，他被誉为现代神经科学之父。
“他是一个天才，伟大的科学家，能够观察到别人看不到的事物。”明尼苏达大学神经科学家艾瑞克·纽曼（Eric Newman）评价道。艾瑞克与同事阿方索·阿拉克（Alfonso Araque）和珍妮特·杜宾斯基（Janet Dubinsky）合写了关于卡哈尔的新书——《卡哈尔，美丽的大脑：圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔的画作》。本书收录了超过80幅卡哈尔的画作，也是巡回展览的指南手册，1月28日明尼阿波里斯市的魏斯曼艺术博物馆有一场展览。
正如本书和展览展示的，卡哈尔是位技艺纯熟的艺术家，他惊人的观察力让其成为科学史上的泰斗。
这些绚丽的画作是对神经细胞的精心描绘，得益于卡哈尔改进的高尔基染色法。但这些作品的意义不止于此。很多画作信息量巨大，乃至在今日的神经生物学课堂上仍用作教学。“卡哈尔的画仍属上乘之作，”纽曼评价道，“他把很多关键点做了图示，这样形式和功用具备的极致，即使现代成像技术也无法超越。”
本图中，卡哈尔放大了树突棘，即锥体神经细胞树突分枝上微小的突起。其他科学家认为这些可能是染色法的产物，但是卡哈尔则证明了树突棘的真实存在。他正确地预测到，树突棘为树突从其他细胞接受信号的接触点。
本书分为四个主要部分。首先，介绍人脑中不同的细胞类型，从广泛分布的保持身体协调的的浦肯野细胞（Purkinje neurons），到稀疏分布的管控肌肉收缩的细胞。第二部分，展现这些细胞如何构建出感官系统。卡哈尔的画作探究了大脑和感觉器官的运作模式，即如何接收及处理气味、图像和声音。第三部分收录了神经回路的示意图。神经细胞互相协作，构建出神经通路，连结大脑不同部分，或者引发某些行为。最后一部分则收录了描绘细胞增长、分裂及死亡的画作。
纽曼给这些画作配上了解说词。“每一张图，我都会试着讲一个故事，读者看到时就能了解些神经科学。”他的解说绝不是说教，相反，介绍神经系统的故事很是吸引人，配上卡哈尔的视觉盛宴，赏心悦目。
纽曼说，“我们之所以收录这些画作，正是因为它们的美感。”当时，工作团队需要埋头研究卡哈尔的原始期刊论文，以便更好理解每幅画作的背景和意义。
本书还特载了一篇文章，作者是南加州大学的神经生物学家拉里·斯旺森（Larry W. Swanson），魏斯曼艺术博物馆的馆长林德尔·金（Lyndel King），以及亚伯兰斯出版社（Abrams Books）的编辑艾瑞克·希梅尔（Eric Himmel）。
斯旺森探究了卡哈尔的一生以及科学成就，称他“迷人、多面、传奇”。金和希梅尔则研究了他的艺术及手法。文章均取材于卡哈尔的自传《人生的回忆》。
1885年，卡哈尔在三十岁出头时，在巴伦西亚（Valencia）的实验室拍的自拍像。
卡哈尔1852年出生在西班牙东北部的一个小镇上。斯旺森写道，卡哈尔形容自己是个贫穷的学生，害羞又不善交际。青年时代，他对绘画欲罢不能，梦想成为艺术家。他的父亲是位当地的医生，想让卡哈尔成为一名内科医生。卡哈尔对人体产生浓厚兴趣后，这二者的矛盾便化解了。他的父亲也看到这些示意图用作解剖学教学十分出色。卡哈尔在当地一家医学院接受了教育。
在军队担任医务人员期间，他染上了疟疾。此后，他的身体羸弱到没有办法成为执业医生，转而研究微观人体，即组织学。对此，他也有个诗意的解释：组织学于他而言，是“众人皆备、无休无止的蜂房里，传来的嗡鸣”。在家中自建的实验室里，他苦苦磨炼技艺。有次他到意大利拜访高尔基，学会了铬酸银染色法，可以随机将很多神经元染成深黑色，这为他的创作奠定了基础。
卡哈尔经常总结对于数百个神经细胞的观察，在成品画作上展现细胞精致的结构。金和希梅尔根据他的一张自拍照，想象他的日常是这样的：卡哈尔在一台放着几台显微镜的桌旁坐下，头枕在手上，对着仪器目不转睛。架子上满是瓶装的化学用品，桌上铺着被染色的桌布，都是为了给动物组织染色，组织取自兔子、青蛙、鸽子以及人类尸体。
卡哈尔三十四岁时，拍摄的四张自拍照。
文章作者解释道，卡哈尔透过身前的显微镜观察，然后在一旁的纸上画出草图。他们写道：
他可能开始用铅笔勾勒，然后用印度墨水上色，彩色区域加上些墨水或者水彩。经常，他在显微镜旁坐上一上午，不动一笔；下午凭记忆绘图，再透过显微镜观察来确认和修正；我们可以在画面的空白区域，看到他不甚满意的修改痕迹。
卡哈尔的成功发现，关键在于勤勉的观察。“你当然可以说他不过是个出色的观察者，将显微镜下所见画出来而已，”纽曼说道。
对于纽曼，卡哈尔的作品承载着特别的意义。纽曼自己的研究侧重于大脑中的非神经元细胞，即神经胶质。传统观点认为这类细胞是神经元的“副手”，提供被动性的支持。这样的观点到最近的几年才被推翻。神经胶质细胞的作用很大，能够促进或限制神经元之间的联系，帮助调节神经信号和大脑中的血液运输。而卡哈尔则在一个多世纪以前，就认识到神经胶质细胞的重要作用。
本图为星形胶质细胞。卡哈尔在一人去世后的三小时，于其大脑中观测到此细胞。图上的字母标签对应关键点。正中央为典型的星形胶质细胞，A细胞包裹着一个神经细胞（a），B细胞则一分为二。E细胞正处于蜕变阶段。
纽曼说道，“他确实提出神经胶质细胞的许多功用，我们现在发现都是正确的。”
本书以杜宾斯基的文章结尾。文章阐释并提供了大脑及其结构的图像，这些图像来自现代科技的测绘，并发表于当今的科学期刊。其中包括一只经过“大脑彩虹着色”技术处理过的老鼠（Brainbow，注：通过荧光蛋白为细胞调色，可以计数细胞，追踪细胞的走向，观察神经网络的连接布局），神经元的颜色约有100种；还包括轴突末梢的数字重构图——基于电子扫描显微镜和蛋白识别实验——末梢上布满了等待传递的化学信号。五光十色的“大脑彩虹”图像突显了卡哈尔的正确之处，也展现了从彼时到今日科学的进步。
即使科学小白也能欣赏到卡哈尔画作的视觉美感，这些画作将大脑奥秘的结构淋漓尽致地展现了出来。金和希梅尔在文章里这样写道，“我们今日再来看这些画作，看的并不是图案或参数，而是走在最远方的先驱者，他带给我们这一陌生领域的首张清晰描绘。”
《美丽的大脑》于1月17日出版。收录卡哈尔原始画作的展览指南，在明尼阿波里斯市的魏斯曼艺术博物馆可以拿到（展期为1月28日至5月21日）。今年至2019年春季，巡回展览还将至加拿大温哥华；纽约；剑桥；麻萨诸塞；最后到北卡罗莱纳教堂山。
本图表示视网膜分为十层。卡哈尔认为B、C、D层的感光细胞将光线转换成电信号，之后传导至其他细胞层，最终传导至大脑。卡哈尔发表此图的书籍或论文中，却看不到这些修改液涂抹的痕迹。
卡哈尔研究内耳迷路（注：骨迷路和膜迷路构成），包括维持人体平衡和听觉的构造。神经细胞（A和B）将信息传输至大脑。
卡哈尔的主要理论之一认为，神经元是独立细胞。本图解释了上述理论：其他神经细胞的黑色轴突，包裹着黄色的脑干中的神经细胞。这些突触称为海尔德氏花萼（calyces of Held），是大脑中最大的突触。（注：海尔德氏花萼于1883年为汉斯·海尔德所命名，原因是该突触长得与花萼极为相似。海尔德花萼是人体中最大的大脑突触，它们帮助我们感知声音并且能够使我们迅速寻找到声音的来源。）
本图向我们揭示了卡哈尔的第二个重要理论，关于信息通过神经元的传导方向。本图中，大脑皮层上的各类神经元旁标注着箭头，表示信息传导的方向。
这是一幅关于普尔基涅神经元的草图。这些像灯泡的细胞与普通细胞不同，因为这些细胞受到损伤，正在蜕变。卡哈尔专注描绘膨胀的细胞，但是略带一丝幽默，他把最大的细胞画成企鹅游泳的样子。“卡哈尔透过显微镜注视的时候，确实看到了这只企鹅么？”纽曼写道。“不过很难说，卡哈尔一般是凭记忆作图，而非特意描绘某个细胞。”
本书封面为卡哈尔手绘的浦肯野神经元（Purkinje neuron），位于帮助人体维持站立和平衡的小脑皮质。浦肯野神经元的树突分支与其他神经元不同，朝两个方向发散，有点像“一把手摇扇”。相比其他动物，人类的浦肯野神经元的树突棘可繁复得多。
“利维坦”（微信号liweitan2014），神经基础研究、脑科学、哲学……乱七八糟的什么都有。反清新，反心灵鸡汤，反一般二逼文艺，反基础，反本质。
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