從混亂中看見結構：Cajal 如何用畫家的眼睛改變神經科學
於 由 Emma Cheng 張貼
身為從醫師轉職的藝術家，我一直覺得「觀察」是在兩個領域都受用無窮的能力。好的觀察可以讓你發現事物的本質，對於解決問題非常有幫助。
最有代表性的故事，來自第一個看到神經元的神人，他同時是為病理學家、藝術家、諾貝爾醫學獎得主。
十九世紀末，如果你把一片經過銀染的腦組織放到顯微鏡下，看到的可能不是我們今天熟悉的「神經元示意圖」。
你會看到一大片交錯的黑色線條。
有些像樹枝，有些像細長的藤蔓，有些又分岔成數十條細小突起。它們重疊、穿插，充滿整個視野，很難判斷哪一條線屬於哪一個細胞。
當時許多科學家看到這樣的組織切片，認為神經系統可能是一張彼此相連的巨大網絡。
但 Santiago Ramón y Cajal 看到了不一樣的東西。
同樣的染色技術、同樣看似混亂的黑色線條，他卻開始辨認出一個又一個獨立的細胞。
這個故事最令我著迷的地方，不只是 Cajal 畫出了漂亮的神經元，更是他的繪畫能力，本身就是他的科學觀察能力。
同樣的畫面，為什麼有人看見「一團線」，有人看見「神經元」？
Cajal 使用的是義大利科學家 Camillo Golgi 發展出的銀染法。
這種染色方法有一個很特殊的效果：它不會把所有神經細胞都染黑，只會讓其中少數細胞完整顯現，因此研究者有機會從密集的腦組織中，看見一個神經細胞延伸出去的形態。
然而，即使如此，顯微鏡下的畫面仍然非常複雜。
Quanta Magazine 描述，Cajal 看見的是一片由奇異黑色形狀組成的叢林；其他研究者面對類似的組織切片時，看到的卻主要是一團令人困惑、彼此連續的纖維。
當時流行的一種理論認為，神經系統就像蜘蛛網一樣，是一個連續的網狀結構，訊號可以沿著整張網絡傳遞。
但 Cajal 的觀察方式則像是：
這一條線，是從哪裡開始的？
它屬於哪一個細胞？
這些分枝彼此是真的連在一起，還是只是從視覺上互相重疊？
當這些線條的來源與走向逐漸被分辨出來，一個原本看似混亂的畫面開始產生結構。
他從一張連續的網中，找到了一個個「似乎」彼此獨立的神經元。為什麼說「似乎」？因為以當時的技術來說，無法確認細微的結構，繼續看下去就知道。
觀察，不只是「看見」
我們很容易把科學觀察理解成一件被動的事情：
把樣本放到顯微鏡下，然後忠實記錄眼睛看到的東西。
但 Cajal 的例子恰好說明，真正的觀察往往遠比這複雜。
眼睛接收到的是大量視覺資訊，但研究者還必須從其中辨認：
哪些線條屬於同一個物體？
哪些結構只是重疊？
哪些形態會一再出現？
哪些差異可能具有意義？
這其實是一種非常強的 pattern recognition 模式辨識能力。
Quanta 用了一個很美的說法形容 Cajal：他具有藝術家從 “form and function amid chaos” 中辨認事物的眼光。
意即在混亂之中，看見形態與功能。
這也正是藝術訓練與科學觀察產生交集的地方。
畫畫的人經常在做同樣的事情。
面對一棵樹，我們不是畫幾千片葉子，而是先辨認枝幹的方向、主要量體、前後關係與光影結構。
面對人體，我們也不只是看到皮膚表面的輪廓，而會開始理解骨骼、肌肉、重心與動作之間的關係。
Cajal 面對神經組織時，也在做類似的事情。
只是他所整理的，不是一個人體姿勢，而是一個當時幾乎沒有人真正理解的神經系統。
更驚人的是：他從「形狀」推論出「功能」
他接著注意到一件更奇怪的事：神經元不是對稱的。
在細胞的一端，經常可以看到大量像樹根般反覆分枝的構造，也就是今天所稱的 dendrites（樹突）。
但另一端通常會延伸出一條較細長、形態非常不同的 axon（軸突）。
這樣的形態差異，讓 Cajal 開始從結構思考功能。
他推論，神經訊號的傳遞應該具有方向性：訊息由樹突進入，經過細胞體，再沿著軸突傳出去。
也就是說，他不是先知道神經訊號怎麼走，再替它畫一張示意圖。
恰恰相反。
他是先仔細觀察形態，再從形態中推論功能。
這一點非常重要。
因為在這裡，繪畫已經不只是「把研究結果畫下來」。
繪畫本身也參與了理解研究結果的過程。
他甚至從眼睛看不到的地方，推論出了 synapse
Cajal 接下來的推論更加大膽。
如果仔細追蹤一個神經元的軸突，可以發現它非常接近下一個神經元，但兩者似乎並沒有真正融合在一起。
Cajal 因此認為：每一個神經元都是一個獨立的細胞。
神經訊號必須從一個細胞傳到另一個細胞，中間存在一個微小的間隙。
這就是後來所說的 synapse（突觸）。
問題是，Cajal 當時其實看不到這個間隙。
光學顯微鏡的解析度不足以直接顯示如此微小的結構。
包括 Golgi 在內的一些科學家因此並不接受他的推論。
從他們的角度來看，Cajal 正在主張一個當時無法直接以光學顯微鏡看見的結構。
但 Cajal 是從整體形態與反覆出現的結構關係中，推論出了這個看不見的間隙。
大約半個世紀之後，電子顯微鏡的出現，才讓研究者真正看見神經元之間的間隔，確認了這項推論。
換句話說：
Cajal 沒有直接看見 synapse。
他看見了足夠多的結構，因而推論那裡應該存在一個 synapse。
是不是很厲害？這就是觀察到了「本質」。
Observation、pattern recognition、inference
如果把 Cajal 的工作拆開，其實可以看到三個不同層次：
Observation｜觀察
從複雜的神經組織中，辨認出一個個具有完整形態的神經元。
Pattern recognition｜模式辨識
發現樹突、細胞體與軸突並不是隨機排列，而具有反覆出現的結構與方向性。
Inference｜推論
從這些形態推論神經訊號的方向，甚至進一步推論神經元彼此並不連續，而是透過細胞之間的間隙傳遞訊息。
這三件事情並不是完全分開的。
我們怎麼畫一個東西，往往反映了我們怎麼理解它。
而我們怎麼理解它，又會影響下一次我們知道該注意什麼。
Cajal 的繪圖並不是顯微鏡的「截圖」
今天我們已經非常習慣攝影。
因此看到一張科學影像時，很容易假設：研究者看到了什麼，照片就記錄了什麼。
但 Cajal 的繪圖並不是顯微鏡畫面的機械式複製。
從顯微鏡裡得到的，是局部、複雜而且需要解讀的視覺資訊。
要形成一張清楚的科學圖像，研究者必須反覆觀察、追蹤結構、比較不同樣本，再把理解到的形態組織到紙上。
因此，我更喜歡把這個過程理解成：microscope → observation → interpretation → drawing
而不是：microscope → copy
這也是為什麼 Cajal 的圖即使到了今天，仍然具有驚人的清晰度。
它們不是把所有看到的東西毫無區別地放進畫面。而是在大量資訊之中，讓有意義的結構變得可以被理解。
這也是許多藝術家創作時一再重複的篩選過程。
畫圖是一種思考方式
Cajal 最後留下了數千張神經系統的繪圖。
這些圖不只記錄他的觀察，也成為他向其他科學家溝通 neuron doctrine 的重要工具。
對我來說，他的圖同時完成了三件事情：
觀察。
思考。
溝通。
這也是科學插畫最迷人的地方之一。
科學插畫並不只是把已經確定的知識畫得漂亮，也不只是攝影出現以前不得已使用的紀錄方式。
在許多情況下，畫圖本身就是一種理解資訊的方法。
當我們必須決定一條線從哪裡開始、哪一個結構應該被強調、兩個物體之間真正的關係是什麼時，我們其實被迫回答：
我究竟看到了什麼？
而有時候，一個重要的科學發現，正是從這個問題開始。
Cajal 和其他研究者看到的，是相似的銀染神經組織；真正不同的，不只是眼前的影像，而是他如何從一片混亂中辨認出結構與關係。
有時候，新的發現並不是因為我們第一次看見某個東西，而是因為我們第一次知道該怎麼看。
延伸閱讀
本文關於 Cajal 如何觀察神經元、從形態推論功能，以及透過繪圖理解神經系統的歷史內容，參考 R. Douglas Fields 於 Quanta Magazine 發表的文章 “Why the First Drawings of Neurons Were Defaced”（2017）。原文除了介紹 Cajal 如何透過觀察與繪圖理解神經元，也講述了今日留存在 Cajal 原始畫作上的藍色典藏印章，以及這些看似破壞作品的印記，如何意外成為保護這批歷史作品的一部分。