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亥姆霍兹与神经传导 精选

已有 3517 次阅读 2021-10-3 17:31 |系统分类:科研笔记

有一位著名的科学家,物理学教科书上有他的名字,生理学教科书上有他的名字,心理学教科书上也会有他的名字。虽然,他本人不是心理学家,但是,他却有两名学生分别成了科学心理学之父和美国心理学之父。他曾经做过一个简单实验,既堪称经典的生理学实验,又堪称经典的心理学实验。这位科学家是亥姆霍兹,他做的实验是测定神经冲动的传导速度。

亥姆霍兹(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821-1894)出生在德国柏林附近的波茨坦。他起初是普鲁士军队的一名外科医生,不过,他的主要兴趣在于研究,他与柏林大学的生理学家建立了密切的朋友关系。当他还是一名外科医生时,亥姆霍兹就开始发表能量守恒和神经系统方面的科学论文。1849年,亥姆霍兹离开军队,到哥尼斯堡大学如愿以偿地当了一名生理学家。后来,他又到柏林大学做了物理学教授。正是在哥尼斯堡大学,亥姆霍兹做了一项经典实验。这是生理学史上最著名的实验之一,也是心理学史上最著名的实验之一。

话说19世纪中叶,人们已经认识到神经系统是心智的器官,心理操作依赖于物理大脑的工作。另一方面,那时的许多人都认为,心理事件是非物理性的,发生在心理或精神世界中,心理或精神世界是与物理事物和事件的世界相分离的。如果是这样,那么神经系统,即心理的器官,应当具有不同于其他物理系统的特殊属性。

因此,例如脚上的触觉有赖于从脚上行于脊髓及大脑的神经细胞传导的信息,如果切断这些神经细胞,那么就没有相应的触觉了。移动肢体(比如,弯曲一支胳膊)也同样有赖于神经信息,即从大脑下行于脊髓及肌肉中的神经细胞传导的信息,相应地,如果切断通往肌肉的神经,那么肌肉就被麻痹了。也就是说,感觉登记(一个心理事件)和使个体身体运动(另一个心理事件)均有赖于神经传导的信息。然而,这些神经系统传导的信息有什么特性呢?例如,它们的传导需要时间吗?

看起来似乎不需要时间,当有东西触及一个人的脚时,他/她显得立即就感觉到了;当一个人想移动脚时,他/她显得似乎立即就移动了。因此,在亥姆霍兹实验之前,许多科学家都认为神经系统是即时传导的,或者以光速传导的。但是,神经传导信息却不是即时的。1850年,亥姆霍兹用实验表明,神经冲动的传导需要时间,并且传导速度较慢。

亥姆霍兹取蛙的分离的神经-肌肉材料来做实验。这样的实验材料是一条连接肌肉的神经,从蛙的其他部分切掉,从而,可以看见肌肉和与之相连的细长的神经。只要操作得当,蛙的这一分离部分能够在一定时间内保持为活体。

如果这时用微弱电流的脉冲刺激神经,那么,尽管肌肉和刺激之间有一小段距离,而肌肉还是会收缩。显然,一种信息从刺激点传到了肌肉,并使肌肉收缩。采用这样的程序,亥姆霍兹用微弱电流的脉冲刺激神经,并使这一脉冲启动一个计时装置。当神经冲动到达肌肉时,肌肉收缩,肌肉的运动终止计时装置。从而,亥姆霍兹能够相当精确地测量出从神经刺激开始到一定距离之外的肌肉收缩之间的时间。

由此,就能计算出神经信息传导的速度吗?不能。计时器启动和计时器停止之间的总时间包括信息传导到肌肉的时间,也包括肌肉收缩的机械事件的时间。如何将二者分开呢?

亥姆霍兹的办法是,只要移动刺激位置即可:如果他从离肌肉较远的地方再次刺激神经,肌肉中的事件所需时间与以前是相同的,但是,神经冲动却需要传导较远的距离才能到达肌肉。所以,如果信息以一种可测量的速度传导,那么刺激和肌肉收缩之间的时间就会更长,因为传导的距离更远了。

实验结果表明,的确如此。亥姆霍兹用大量的蛙在两种情况下(即,在肌肉较近处刺激,在肌肉较远处刺激)做了大量测量。对于更远距离的刺激,脉冲传导-肌肉收缩的总时间就更长。那么,知道两个刺激点之间的距离,并且知道反应时间的差异,亥姆霍兹就能轻易地用时间去除距离而得到速度。

他测量的神经传导的速度大约是30m/s。这确实不是很快,对照光传播的速度300000000m/s即可明白。神经信息传导远非即时性的,其速率比声音传导要慢得多(声音传播的速度大约是340m/s)。尤其重要的是,亥姆霍兹的实验表明,神经冲动的速度是可以测量的。

亥姆霍兹首次公布他的发现时,其重要意义是怎么说都不会夸大的。他用实验表明,神经系统的确是心理的器官;不过,神经系统依然是一个生理器官,一个物理器官。神经系统有其物理局限性,它的活动需要时间。

由亥姆霍兹测定神经传导速度,可以获得很多研究启发。例如,其一,善于思考,将一般问题具体化,具体到可以实验研究的程度。其二,如果研究问题选择得好,那么简单的回答可能是重要问题的结论。其三,经典实验往往是非常简单的,虽然,它们在技术上可能难以实现,可能需要特别的设备、特别的技巧和特别的辛劳。



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