写在前面的话

 2017年12月初，孙睿晨在《知识分子》讲了两个关于诺贝尔奖得主的导师的故事

（“有趣的事情总是发生在有趣的人们身上”）。

  当时，还有一个没有写完。

今天，她带来了上次没有被讲述的那个故事。

这是一个真实的故事。

 

撰文 | 孙睿晨（加州大学圣地亚哥分校博士研究生）

责编 | 陈晓雪

 

壹

 

2016年11月16日，美国加州圣地亚哥市。美国国际神经科学协会年会展（Society for Neuroscience）的最后一天。

 

上午十一点多，我按照计划听完了几个我感兴趣的学术报告，鬼使神差地走进了会展中心一楼的学术展板大厅。

 

在这个面积为五万七千二百平方米的大厅，几千块学术展板鳞次栉比。每块展板旁边都站着人。他们可能是研究生、博士后研究员，甚至可能是教授。他们时刻准备着向会场上的人展示他们印在学术展板上的研究成果。

 

会场实在太大，没走多久，我便累了。

 

来会议之前，我认真研习了会议安排并计划好了自己的大致行程:每天几点去哪里听报告，几点去哪里看谁的学术展板展示。当天是会议的最后一天，我已身心俱疲。过去五天内收到的信息似乎随时要在我脑内爆炸。我只好放弃原先的计划，开始随意地在展板和展板之间乱走。

 

不如从排在最末尾的展板开始吧！我突发奇想。

 

我走到了最末尾的展区。这个区域跟其他区域相比，显得很冷清。大部分展板无人问津。不过，有一个展板旁边围了三四个人。我走近一看，展板的负责人是位老教授，正在精神抖擞地跟几位研究生模样的年轻人介绍他最新的神经网络模型。他还把他的展板内容印制了许多份A4大小的传单，发给每位在他的展板前驻足的人。

 

 

我领了一份他的展板传单。传单上印着他的名字——丹尼尔·加德纳（Daniel Gardner）。我半途才加入他的讲解，很多细节听不太懂，只好低头缩在角落研读他的传单。

 

在读到神经网络模型在动物模型中的实例时，传单上提到了查尔斯·史蒂芬斯（Charles Franklin Stevens）教授最新的研究: 关于果蝇嗅觉的压缩感测假说。我眼前一亮。

 

“我认识史蒂芬斯教授！他就在我办公室隔壁！”我脱口而出。

 

正在解说的加德纳教授突然停下来，转向了我。

 

“真的吗？！”他问道。

 

我点点头。我本以为他要批评我打断了他的思路，却没想到他关心的却是查尔斯。

 

“请你务必替我问他好,好吗？昨天在埃尔文的报告上，我们几个朋友都去了，但却没有见到查克。我们都想知道他最近还好吗？”

 

“啊，他很好呢！我会向他转达您的问候的。请问怎么称呼您？”我答道。

 

“非常谢谢你答应帮忙转达我的问候。三十多年前，不，快四十年前，我和埃尔文都在查尔斯的实验室当过几年博士后研究员。我们已经很多年没见了，希望他还记得我。那个……可以麻烦你帮我顺便再传一句话吗?”

 

“是什么呢？”我问。

   

“就是……请告诉查克，虽然他可能不愿意来听埃尔文的讲座，但我们……包括埃尔文……我们都懂的。希望他一切都好。”加德纳教授的话中充满了遗憾。

 

 

贰

 

查尔斯·史蒂芬斯教授今年83岁了。认识他的人都称呼他查克（Chuck）。从1990年起，他在萨克研究所当了28年的研究课题组长（Principal Investigator），同时在研究所隔壁的加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的兼任教授（注：萨克研究所与加州大学圣地亚哥仅一街之隔）。

 

2015年夏天，查尔斯缩减了自己在萨克研究所的实验室规模，并在我所在的加州大学圣地亚哥分校的卡弗里大脑与心灵研究所（Kavli Institute for Brain and Mind）挂了名，把办公室搬到了我所在的实验室的隔壁。

 

他经常早早来到办公室办公。每次我在走廊上遇见他，他总是背着一个黑色的书包，戴着眼镜，穿着深色的薄毛衣或套头衫、千篇一律的牛仔裤以及一双旧皮鞋。

 

他刚搬来的那段时间我正在发愁怎么分析实验数据，于是我经常跑到他办公室请教。有一天，他建议我用R（一种编程语言）分析数据。他说他刚学会R，并且正在用R语言处理他的一篇手稿里的数据（那篇文章正是加德纳教授的学术海报后来引用到的关于果蝇嗅觉的研究）。

 

我当时刚刚接触R这个编程语言，所以听他这么说，有些惊讶。在他读书时，关于如何使用电脑处理大批量数据的知识并不在教学大纲内。

 

查克1956年从哈佛大学本科毕业，1960年获得耶鲁大学医学博士学位，1963年获得洛克菲勒大学哲学博士学位[2]。1970年，他拿到终身教职之后才申请到一笔专门资助研究器材的经费，给自己买了一台晶体管计算机。

 

而1977年第一台个人电脑出现时，已经是查克博士毕业的十四年后[3]。

 

“您什么时候开始学习使用R语言的呢？”我好奇地问他。

 

“2014年1月左右吧。”他笑眯眯地说。

 

“您不觉得学习这个编程语言的时候有些困难吗？”我追问——2014年时他也已经78岁了。

 

“其实是有困难的。唔……最大的问题是，每次学完，过了一段时间，就忘了。所以我给自己写了一篇R语言总结，每当我学会一组新的函数时，我就记到那上面去，这样下次我需要用的时候，只需要再读读自己的笔记。不然的话，我就得重新学一遍，实在是很不方便。”他边说边把他的R语言笔记展示给我。

 

我看着他的学习笔记，心里暗暗下决心，希望自己到了80岁时也能面对勇敢拥抱学习新知识。

 

 

叁

 

自那次关于R语言的讨论以后，我和查克成了好朋友。查克喜欢和后辈们聊天，也从不回避后辈的任何问题。

 

我实验不顺利的时候，常常找查克吐苦水。查克总是一边鼓励我不要放弃尝试，一边跟我一次开动脑筋，思考解决方案。

 

其实，他从1963年当上华盛顿大学（University of Washington）的助理教授时，他就从来没有放弃对年轻人的支持，没有放弃对科研的热爱。

 

肆

 

1968年，查克凭借对猫的嗅觉中枢神经元生理特性的研究在学界声名鹊起，并顺利评上了华盛顿大学终身教授 [4]。这次升职意味着他可以进行学术休假了。他想了想，决定带着家人看看欧洲。于是，1969年，查克到达荷兰莱登大学（Leiden University）开始了为期一年的学术休假。

 

在荷兰访学期间，他抽空去德国转了一圈，顺道拜访了在慕尼黑工业大学（Technische Universität München）任教的朋友汉斯·拉克斯（Hans-Dieter Lux）。

 

那个时候，一名名叫埃尔文·内尔（Erwin Neher）的年轻人正在汉斯的实验室里用电压钳技术（voltage clamp）来研究蜗牛运动神经元的膜电流特性；

 

那个时候，离神经生物学领域里的第一个理论模型获得诺贝尔生理与医学奖还不到十年（即著名的霍奇金-赫胥黎的动作电位模型，Hodgkin-Huxley model）[5]；

 

那个时候，人们还不知道细胞膜表面上的离子通道（ion channel）是否真实存在。

 

不管如何，查克在汉斯的实验室见到了埃尔文。那次会面让查克与埃尔文发现了他们对神经元的生理特性有着共同的兴趣。他们都迫切地想知道：单个神经元到底是怎么产生冲动的，由一个个神经元联结形成的神经网络到底是怎么工作的，以及最为精密的神经网络——大脑——到底是怎么产生思维的。

 

那次会面的六年后，也就是1975年，查克把实验室从华盛顿大学搬到了耶鲁大学。同一年，埃尔文从德国飞到了美国，到达查克的新实验室做博士后研究员。

 

伍

 

想研究单个神经元是怎么产生冲动的，就需要一种能够测量神经元的膜内外的电流变化方法。

 

当时最流行的神经生理学用于研究膜电流的方法是电压钳。电压钳的工作原理是实验者把膜电位固定在某一数值，然后测量这个过程中膜电流的变化[6]。

 

实验者将两个微电极插入同一个细胞，其中一个电极用于接地，另一个用于对抗因离子通道开闭而产生的通道电流，从而使两点极间的电位差保持恒定。这个过程中被记录下来的对抗电流的数值就是膜电流的实时变化（其本质是膜电流的相反数）。

 

这个技术虽然能够测量一个神经元的整体膜电流变化，但是通过这个技术得到的电流图噪声太大了。这也是没有办法的事——单个神经元表面有很多个离子通道，而每个离子通道的开闭都会对这个神经元的整体膜电流产生影响。那个时候，研究神经生理的一些学者甚至还专门建立了噪声分析（noise analysis）的研究领域，以期找到这些让人头疼的噪声背后的某种规律[7]。

 

查克想，如果能测量单个离子通道的电流变化就好了。

 

在1975年之前，查克和埃尔文各自琢磨如何能够测量到单个离子通道的信号已经好几年了。查克的课题组发表了好几篇关于乙酰胆碱（acetylcholine，一种神经递质）引起的青蛙肌肉神经节点的神经细胞膜电流变化的论文，而埃尔文和他的好朋友博尔特·萨克曼（Bert Sakmann）也尝试了给同样的神经细胞不同化学药物，并观察到了与查克所观察到的类似的膜电流变化[8-13]。这几篇论文有很多相似的元素：一模一样的细胞样品，非常类似的玻璃电极，以及对单个离子通道是否存在这个问题的不相上下的强烈好奇心。

 

如果不是因为查克实验室里刚好有埃尔文用惯了的实验装置，埃尔文应该不可能在到达美国后很迅速地投入到测量单个离子通道工作中。虽然埃尔文的实验大部分是失败的，但是查克一直鼓励他不要放弃，就像他今天鼓励我不要放弃一样。查克也同时跟埃尔文一起做实验，陪着他一起尝试不同的方法，一起探讨如何改进实验步骤，改进实验仪器。

 

1975年12月的一天，埃尔文像往常一样开始做实验。他准备好试验样品，小心翼翼的放置好电极，然后便盯着示波器。示波器上闲置着与平常无异的充满噪声的电流信号，似乎并没有进展。他挪了一下手中连着玻璃微吸管的塑料管子。

 

就在这个时候，奇迹发生了。

 

噪声消失了。示波器上的电流信号，突然变成了一条直线。然后，这条直线中出现了一个，两个……许多个独立的、清晰可见的跳动。

 

那天晚上，埃尔文第一次实现了微电极与神经细胞膜的高阻封接（Giga-seal）。他记录到了神经细胞膜上单个离子通道的电位变化。

 

那一刻，埃尔文非常激动。查克听到这个消息时也同样激动，并连连催他把结果赶紧整理写作出来。埃尔文一刻都没有耽搁，利用圣诞假期把文章初稿写出来了。在最后修改的时候，埃尔文问了查克一句：“我要不要把你的名字放到作者列表？”

 

查克想了想，说：“如果你觉得不必要的话就不用放啦。”

 

然后呢？

 

埃尔文1976年1月初把修改好的初稿投到了《自然》（Nature）杂志。文章两个月后正式发表。

 

那篇文章的题目是“被去除神经的青蛙肌肉纤维上单通道电流的测量”（Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle fibres），作者只有两位。第一位是埃尔文，第二位是埃尔文在德国的同事兼好友，博尔特[14]。这篇文章中所报道的测量技术日后被埃尔文命名为膜片钳（Patch Clamp）。

 

文章末尾，埃尔文写道：我们向为本文提供了部分实验帮助的乔治·亨利·斯坦巴克（当时查克实验室里的一位博士后研究员）提供感谢。本文经费有两部分，一部分是是由美国公共卫生服务提供查克教授的，另一部分则是由马克思普朗克研究院提供给博尔特（“We thank J.H. Steinbach for help with some experiments. Supported by a USPHS grant fo Dr. C.F. Stevens, and a stipend for Max Planck-Gesellshaft.”）。埃尔文当时在耶鲁大学的研究是完全由查克用自己的经费资助的。

 

在那篇文章发表之后，埃尔文又接着发表了几篇论文。几乎在每篇的末尾，埃尔文都悄悄地提到了查克。

 

在1978年发表的“局部麻醉能通过单个乙酰胆碱受体通道短暂的阻碍膜电流”（Local anaesthetics transiently block currents through single acetylcholine‐receptor channels）一文末尾，埃尔文提到:“本研究是在查克位于耶鲁大学生理学系的实验室里完成的。美国国家卫生研究所提供给查克的经费被用来资助本课题。我们感谢包括查克在内的多位研究人员对本工作提供的帮助和许多富有建设性的讨论与建议。（This work was conducted in the laboratory of Dr. C.F. Stevens at the Physiology Department, Yale Universityand was supported by N.I.H. grant to C.F. Stevens. We appreciate the help we received through many stimulating discussions with Drs. C.F. Stevens, K.G. Beamand R.L. Ruff. J.H.S. was supported by a Muscular Dystrophy Association postdoctoral fellowship.）” [15]

 

埃尔文于1978年发表的另一篇文章“细胞外膜片钳：一种能测量生物膜表面单个离子通道打开时产生的电流的方法”（The Extracellular Patch Clamp: A Method for Resolving Currents through Individual Open Channels in Biological Membranes）的文章末尾提到：“本研究的部分工作是在查克位于耶鲁大学生理学系的实验室里完成的。埃尔文是由查克的国家自然科学基金资助的……我们想对查克的支持和鼓励表达感谢。（Part of this work was conducted in the laboratory of Dr. Ch. F. Stevens, at the Physiology Department of Yale University. E. N. was supported during that time by NS grant No. 12961 to Dr. Stevens…We want to thank Dr. Stevens for his support and encouragement.）” [16]

 

在这两篇文章中，查克的名字都不在作者列表上。

 

陆

 

1991年10月。

 

埃尔文和博尔特因发明了膜片钳技术获得诺贝尔生理或医学奖[17]。

 

查克的名字不在榜上。

 

柒

 

2016年11月16日。

 

那天下午我从美国国际神经科学协会年会展回到实验室，刚好又遇见了查克。

 

他在办公室里聚精会神的读着论文。

 

我敲了敲他办公室的门。他应声抬头，看见是我，便招呼我进来。

 

“查克！我今天遇到了你的以前的一位博士后研究员！”我一边拉了一把椅子坐到他的办公桌对面，一边兴致勃勃的跟他说。

 

“哦？你碰见了谁呀？”

 

“丹尼尔·加德纳教授。”

 

“哦！我记得他！他怎么样啊？”查克笑着说道。

 

“他给我讲了一下他最新的关于神经网络的研究，他还引用了你的压缩感应假说呢！哦对了，他托我问你好，还说很希望能在会场看见你。”我说。

 

近年来，查克越来越厌烦应付审稿人奇怪的修改要求（比如说，许多审稿人为了显示自己更聪明，经常要求投稿人做这个实验，补那个数据），于是他常常把新写好的论文投到《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，简称PNAS）。美国科学院院士亲自撰写的论文不需要经过耗时冗长的同行评审过程便能被直接发表。查克1982年当选美国科学院院士，但是这几年才开始主攻PNAS杂志。之前我提到的他最新的关于果蝇嗅觉系统采取压缩感应的计算原理的研究，便是他于2016年3月寄出，当年6月发表于《美国科学院院刊》上的他独自完成的工作[18]。在从事科研工作这么多年里，查克从细胞膜表面的离子通道到神经网络模型，全部研究了一遍。他是真的很想知道，大脑是怎样产生思维的。这个关于果蝇神经网络的最新的研究，也只是他每日思考的众多问题中的一个。

   

“哈哈，我太老啦，这个年会每年都规模超大。我从会场东边走到西边，都要走好半天。不过我好久没见他们了，他们要想见我，可以来我办公室找我嘛。正好今年的年会在圣地亚哥举办。”听到老朋友的消息，查克乐呵呵的。

 

看查克这么开心，我想了想，还是决定不转达加德纳教授特意拜托我的那句话。

 

别人懂不懂查克的想法，又有什么关系呢？

 

 

---完---

 

后     记

 

如果你是查克，你会怎么做呢？

 

不管你如何回答这个问题，对于我来说，这是一个不应该被遗忘的故事。埃尔文后来在各个场合都表达了对查克的感谢，也承认了查克对膜片钳技术的重要贡献。

 

查克是我见过的活得最快乐的科学家。他最烦处理复杂的人际关系，对学生又极好。当我知道他所经历过的事情（包括他和埃尔文的这段往事，也包括他前几年二女儿因癌症去世）之后，我越发敬佩他的乐观豁达。当我跟他表达了写作本文的意愿时，他没有拒绝。他说虽然他可能不愿意读关于自己的文章，但乐意回答我的问题。

 

在本文写作的过程中，得到了很多的帮助：查克教授解答了我许多关于膜片钳技术的问题，哈佛大学吴小骥博士帮我查证了查克教授的在校记录。诺贝尔奖官网有个传统：每位诺奖得主都有一副肖像画。我想，查克也应该这样的一幅肖像画。于是，我有幸再次请到刘呗宁先生帮忙创作了查克教授的人物肖像。

 

我同时写作了本故事的英文版“My Office Neighbour”，里面的内容与本文不完全一样，但也是关于查克的真实的故事。感兴趣的同学可以移步今天推送的第二条。

 

最后，大家如果对文章有任何意见和建议，请务必留言给我。

 

最后的最后，给大家一个彩蛋（图七）。

 

参考资料：

1.   萨克研究所关于查克的介绍：https://www.salk.edu/scientist/charles-f-stevens/

2.   来自于查克的学术简历（见图七）

3.   https://en.wikipedia.org/wiki/Personal_computer

4.   Biedenbach, M.A. and Stevens, C. F. (1966) Intracellular postsynaptic potentials and location of synapses in pyramidal cells of the cat olfactory cortex.Nature 212:361-366.

5.   诺贝尔奖官网对于霍奇金与赫胥黎的介绍:

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1963/

6.   Stevens, C.F. (1969) Voltage clamp analysis of a repetitively firing neuron. In: Basic Mechanisms of the Epilepsies (H. H. Jasper, A. A. Ward, Jr.and A. Pope, eds), Boston: Little, Brown and Company, pp. 76-82.

7.   Stevens, C. F. (1972) Inferences about membrane properties from electrical noise measurements. Biophys J. 12:1028-1047.

8.   Anderson, C.R. and Stevens, C. F. (1973) Voltage clamp and analysis of acetylcholine produced end-plate current fluctuations at frog neuro muscular junction. J Physiol (Lond) 235:655-691.

9.   Colquhoun, D., Dionne, V. E., Steinbach, J. H. and Stevens, C.F. (1975) Conductance of channels opened by acetylcholine-like drugs in the muscle end-plate. Nature 253:204-206.

10. Dionne, V. and Stevens, C. F. (1975) Voltage dependence of agonist effectiveness at the frog neuro muscular junction: resolution of aparadox. J Physiol 251:245-270.

11. Neher, E. (1971) Two fast transient current components during voltage clamp on snail neurons. J Gen. Physiol. 58:36-53.

12. Neher, E. (1975) Ionic specificity of the gramicidin channel and the thallous ion. Biochimica et Biophysica Acta, 401:540-544.

13. Neher, E. and Sakmann, B. (1975) Voltage-dependence of drug-induced conductance in frog neuro muscular junction. Proc. Nat. Acad. Sci.USA 72 (6):2140-2144.

14. Neher, E. and Sakmann B. (1976) Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle fibres. Nature 260: 799-802.

15. Neher, E. and Steinbach J. H. (1978) Local anaesthetics transiently block currents through single acetylcholine‐receptor channels. J Physiol. 277(1):153-176.

16. Neher, E. Sakmann, B. and Steinbach J. H. (1978) The extracellular patch clamp: A method for resolving currents through individual open channels in biological membranes. Pfltigers Arch. 375:219-228.

17. 诺贝尔奖官网对于埃尔文和博尔特的介绍：

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1991/

18. Stevens, C. F. (2016) A statistical property of fly odor responses is conserved across odors. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 113(24): 6737-6742.