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心脏是一个极不寻常的器官,它攸关生死又神秘莫测,人类对心脏奥秘的探索几乎贯穿整个医学史,时至今日,这一进程也仍未完结。

如果将有关心脏的全部科学认知视为一座摩天大厦的话,那么威廉哈维在1628年出版《动物心血运动的解剖研究》提出血液循环学说无疑是这座大厦最坚固的基石,事实上这一学说的提出,也是整个医学史上最具里程碑意义的事件之一,因为哈维为生物学、医学研究开创了新的方法,把实验方法引入了医学,作出了用实验方法解决医学问题的榜样,真正开启了一个实验医学的大时代——由数学物理化学这些基本的科学元素深深植入的医学。这是关于人体生命的概念框架的根本变革,哈维之后的生物学和医学已经再不是原来的样子了。

但血液循环学说仅仅揭示了心脏最基本的泵血功能,在这一机制背后,尚有更多更复杂的秘密有待探索。

哈维在向同时代的人解释心血运动的规律时,有一句话被他反复提及:

「上帝绝不做无用功,他绝不会贸然造就一个心脏,也绝不会在其作用还没有成为必需之前使其运动。」

哈维所以用这样的说理方式,一方面是受时代的局限,当时的人们普遍会认为心脏乃至整个人类的样子,都是被上帝设计出来的,哈维虽然具有一定的科学思想,但还不太可能彻底摆脱神创论的影响。能够合理解释心脏的结构及功能为何会如此精妙复杂,自哈维的血液循环理论提出之后,还要再等上231年,1859年11月24日,同为英国人的达尔文出版了《物种起源》;另一方面,哈维也深知自己对血液循环只知其然不知所以然,他打开了心脏研究的科学之门,留给后来者的是无限广袤的探索空间。

哈维仅知道心脏是血液循环的主要动力器官,其泵血的功能有赖于心肌能够有规律地收缩和舒张,但他不知道心脏为什么会这样跳动,他在有生之年也没能正确回答心脏为何会跳动的问题。哈维在他的另一部著作《动物之发生》(1651年)中写道:

「脉搏起源于血液,心耳的搏动由血液来激发。」

这个说法是当然错误的,哈维的后继者们,已经逐渐掌握了科学的研究方法,在没有确切的证据之前,不会轻易地迷信权威,即使这个说法来自伟大的哈维。正如哈维预测的那样:

「我的学说(指血液循环学说)只不过刚开辟了一条路,可以让更有才干的人们用以更完善地研究这一问题。」

(William Harvey,1578-1657)

(William Harvey,1578-1657)

心脏为什么会跳动?这一充满挑战性的问题,自哈维之后,一直有学者试图回答,他们当然不会满足于「这就是上帝让它那么跳的」这种其实不算解释的解释。因为说到底,医学的目标毕竟是要治疗疾病维护健康,因此医生必须要有一套可以和复杂的生理及病理现象相符合的科学理论,由这一套理论所衍生出来的治疗原则,一定要使医生在治病时更有效率,否则如果只满足于对生命现象的宗教解释,那么医生在治病的过程中怕就只有安慰的作用了。

当然,关于生命的科学的解释也不见得立刻就能产生足以指导医生治疗疾病的理论,但科学发展的每一步骤都是朝向未知领域坚实的一步,仿佛是在一片空白区域完成了一幅大拼图的一小块,一旦这个拼图足够完整,那么,治疗疾病的相应的理论(或药物和方法)就必然会出现。

为了让读者更好地理解心脏各部分迅捷而协调的运动,哈维曾做过一个比方:

「可以把心脏看做一个火器的装置,当我们的手指扣动扳机后,便激发了打火石,打火石撞击钢铁产生火花,火花点燃火药,火焰蔓延,进入枪膛,引起爆炸,嘣出弹丸,从而完成射击,这一系列的运动以迅雷不及掩耳之速度发生并完成。」

那么,我们的问题也不妨换成:关于心脏的跳动,究竟是谁扣动了扳机

关于这一问题的科学解释,一度存在过两种不同的学说,这便是十九世纪有关心脏起搏方面著名的心肌源性与神经源性之争。其争论的焦点在于心脏的跳动是由心肌自身的激发还是由外部的电刺激或局部的神经节控制?最初,人们普遍认为心跳是受神经系统支配的。

这个故事要从1839年的一次看似无关紧要的发现说起,这一年捷克生理学家浦肯野在绵羊的心室的心内膜下发现了灰色平坦的胶质纤维网,这些纤维由多核紧密聚集的多面体形式构成。最初,他认为它们是软骨纤维,6年后他又改称那些组织为肌性的结构。

(Jan Evengelista Purkinje,1787–1869)

(Jan Evengelista Purkinje,1787–1869)

浦肯野是一个涉猎极广的人,会写诗,能说十三门语言,曾活跃于捷克的民族主义运动中,还翻译过好友歌德和席勒的诗歌。当然,他最广为人知的成就还是在医学研究领域,在很多方面他都是一位先行者,比如率先描述了浦肯野效应(光的强度减弱时,视觉感受的变化对红色和蓝色不同)等视觉现象;大脑皮层中的浦肯野神经细胞;皮肤中的汗腺;胰腺提取物对蛋白质消化率的影响;洋地黄毒性对视觉和心脏的影响;使用显微镜用薄片切片机制作切片;高等生物体纤毛运动;神经对胃酸分泌的影响;活体毛细管显微镜的使用;梦心理学的新视角等,他还是第一个研究指纹科学的人……

他在1839年发现的结构后来被称为浦肯野纤维网,不过这一结构生理学意义的阐明还是在多年以后,浦肯野直到离开这个世界之前也未意识到这一发现的重大价值。他所以能做出这一发现,可能纯粹是出于科学家的好奇心。

19世纪80年代,加斯克尔(生于意大利,成长在英国)通过对没有神经节或神经连接的乌龟心脏的研究后发现,心脏每一部分的节律性能力不取决于神经节细胞的存在,而取决于心肌本身,他能够证明,通过传导,心跳成为一种彼此协调的肌肉蠕动波,这种搏动始于近心耳的静脉窦,经房室连接部,到而后达心室。他指出,心脏的某些部位比其他位置更易产生自律性,静脉窦是这种节律的主要发生部位。

他的观点支持的心脏冲动的肌源性的起源和传播。

(Walter Gaskell,1847–1914)

(Walter Gaskell,1847–1914)

他从大量的实验中得出结论 ,心脏的跳动从最有节律的部分开始,以波的形式按一定的速度传播至心脏的其余部位,传播速度取决于不同部位的心肌特性。通过切割不同部位及深度的心房组织,加斯克尔制造了不同程度的房室传导阻滞。随着切割越来越深,心室对来自心房的搏动作出反应也越来越慢,如果将心房完全横断,则受心房影响的心室搏动将完全停止,只有重新开始以独立于其心房的频率跳动。他称这种现象为“完全阻滞”。1886年,他发现如在青蛙和乌龟的心脏特定的位置切割,将阻断心房和心室之间的协调收缩。

这些实验首次证明了在于心房和心室之间存在特殊的肌纤维结构,为真正理解心脏起搏提供了必要的基础。

根据加斯克尔的研究,心房和心室之间必然存在特殊的结构负责将来自心房的搏动传导至心室,那么这一结构到底是什么?

威廉•希氏也对刺激如何从心脏的一个部位传导到其余部位感到困惑。

希氏的父亲是一位胚胎学家,他建议利用父亲教过他的胚胎技术,通过对不同类别的脊椎动物的心脏神经系统发育的观察,他能够证明心跳在脑神经或神经节开始发育前就出现了,这也就推翻了心脏起搏是由神经控制的理论,这些研究在神经系统理论仍处于支配地位的时候,为心肌源性学说提供了强有力的支持。

(Wilhelm His, Jr,1863–1934)

(Wilhelm His, Jr,1863–1934)

他知道加斯克尔的实验,为了寻找连接心房和心室之间的特殊传导结构,他通过检查在胚胎发育的不同阶段的心脏切片,揭示了存在于心脏的上部和下部之间的结缔组织束形成一个完整的环。1893年,他在莱比锡描述了那个后来被称为希氏束的桥接结构:

「我成功地找到了一个将心房和心室间隔壁连接起来的肌肉束支…它起源于右心耳的后壁,近心房间隔,在房室沟上沿室间隔肌的上缘附着…沿着这一点向前延续,在近主动脉的区域,分叉为左右束支。」

他认为该特殊的束支将心房直接连接至心室肌,但他却没有进行任何实验证明其猜测,他说:

「我不能肯定是否是这条束支将冲动从心房传导至心室,因为我没有进行任何有关切断该束支的实验。」

遗憾的是,他没有继续在这一领域继续深耕细作,后来离开了胚胎学与房室传导领域,成为了一位专注于尿酸和痛风性关节炎等方面的教授和专家。

将上述研究做一统一整合的,是日本学者田原淳(1873–1952)。

田原淳出生于日本九州岛,被身为医生的叔叔收养。在东京大学学医期间,他表现出了对解剖学的兴趣。近代以来,当古老封闭的日本岛国被西方列强的坚船利炮叩开大门之后,励精图治的日本政府进行了一系列改革,其中医学教育方面,果断抛弃了皇汉医学,转而向西方学习。新政府一方面招徕德国教授到日本教书。作为交流,同时也将日本学生送往德国接受医学教育。1903年毕业后,田原淳幸运地成为了他们其中的一员。

他去往德国马尔堡,在路德维希•阿朔夫(Ludwig Aschoff)病理解剖学研究所工作,阿朔夫是一个国际公认的病理学家,当时,阿朔夫对心衰的病理生理学特别感兴趣,重点研究其神经控制、心肌和瓣膜。阿朔夫要求田原对150例心肌炎的心脏进行组织学检查,经过深入的研究,发现了导致风湿性心肌炎的结节,该结节后来命名为阿朔夫小体(风湿小体),关于风湿对心脏的影响我们在后面还将继续讲述,在此且按下不表。

作为心脏研究的一部分,田原淳也对房室束区也进行了仔细的检查,传导系统的解剖结构进行了较为全面的研究。经过艰苦的研究工作,田原淳发现希氏束的轨迹是向后延续终止于房间隔基底部一个紧凑的网状纤维节点,随后向心脏的远端延续分为两束分支连接于扇形的“散在于心内膜下的特殊肌束”。在阿朔夫的帮助下,田原很快意识到这些特殊的纤维束正是六十多年前浦肯野发现的“胶质纤维网”。

1906年他发表了这一重大发现,他说:

「我将在医学史上首次提出一个关于房室束浦肯野纤维的完整而一致的解释。」

天才的田原意识到浦肯野纤维的功能乃是一个电路,他将其命名为“房室连接系统”,该系统起源于房室结,穿过房间隔的纤维软骨部分为希氏束,然后分为左、右束支,向下走行到达终端的浦肯野纤维。他说:

「这个系统是一个闭合的肌肉束,像一棵树,有其起始部位、根和分支…该系统连接于普通心室肌直至其终端。」

(田原淳,1873–1952)

(田原淳,1873–1952)

同时代欧洲的科学家称:

「随着田原淳对传导系统的发现,心脏的研究进入了一个新的时代。」

可以说,田原淳的解剖研究为心脏电生理学的发展奠定了基础。因此房室结也被称为田原结

1908年Willem Einthoven(荷兰人,因于1908年成功研制出了心电图仪而在1924年获诺贝尔生理学或医学奖,也是心电传导领域唯一一位获诺奖的人,可以说是这一谜题中,笑到最后的最大赢家)称田原的专著可作为解释心电图的理论基础。1906年田原回到日本,成为九州大学的病理教授,并两次任日本病理学协会主席。1914年,因其在心脏传导系统中卓越的研究工作,田原淳获得日本皇室亲自赐奖的日本学士院恩赐奖,此为日本最权威的学术奖项。

作为一个取得如此成就的科学家,田原淳给周围人的印象却是低调谦逊,他的一位老师对他评价说:

「有些人常常很自豪地对自己的学术成就夸夸其谈。但田原却没有这种自大。他很少谈到自己的成就,只在他的学生们强烈要求时才勉为其难地偶尔提及往事。」

截止到1906年田原淳发现房室结,谜底几乎就要被揭晓,关于心脏传导通路解剖学结构中,只差最后的「扳机」尚未发现了。非常可惜的是,在后人看来仅仅一步之遥的距离,田原淳竟也没能毕其功于一役,聊以慰藉我们的是,田原淳毕竟在这一难以琢磨的谜题中留下了唯一一位亚洲学者的身影。

田原淳差一点儿就毕其功于一役,甚是可惜。这一点儿在解剖学上的距离是多少呢?大约也就是几厘米。

田原淳开创性地将前人及自己的发现整合为一个心脏传导的电路系统,但他错误地以为,房室结(也就是田原氏结)就是这个电路传统系统的始发站,其实,房室结虽然确实也有自己独立的起搏功能,但在通常情况下,这一起搏功能并不会表现出来,它还要听命于自己的上级,也就是说,房室结还不是主导心脏跳动的初始击发点。这倒是有些像哥白尼的贡献,他认为地球不是宇宙的中心,太阳才是,其实呢,太阳也不是,但这样的认识局限无损于哥白尼的伟大。

在田原淳发现房室结那一年的一个炎热夏日,一位名不见经传的年轻医学生,在自己的老师正骑着自行车陪老婆愉快玩耍的时候,在鼹鼠的心脏上发现了一处神秘的结构……

这个年轻人是马丁•弗莱克(Martin Flack,1882–1931),当他把自己的发现汇报给自己的老师亚瑟•基思(Arthur Keith,1866–1955)时,基思当时可能要被这突如其来的幸福刺激得晕过去了,回忆起他当年曾经数次拒绝自己老师的建议,他真应该狠狠扇自己一个耳光。幸运之神好像早就想眷顾基思来着,但是他不知道怎么搞的,一直将机会拒之门外,还好最后阴差阳错地搭上了末班车。

(Martin Flack,1882–1931)

(Martin Flack,1882–1931)

基思这个名字可能对大多数中国人来说很陌生,但他有个邻居想必所有人都知道,那个人是达尔文。在达尔文之前,演化的力量尚不为人所知,任何人都无法回答心脏这一器官何以会如此复杂精妙。基思的学术生涯也确实受到过达尔文的启发,他最出色的成就主要在人类学和古生物学方面,我们要在本章讨论的故事,也就是基思关于心脏方面的研究工作,最早是在一位内科医生的指导下开始的。

(Arthur Keith,1866–1955)

(Arthur Keith,1866–1955)

麦肯齐氏(James·Mackenzie)是英国心脏病学这一新兴领域的学术领袖,在临床研究方面极有热情,专注于研究病人的不规则的心脏节律。基思在1903年时就已熟知了麦肯齐氏的研究工作。麦肯齐于1905年移居伦敦时,基思写信给麦肯齐希望有机会合作,麦回答说:“你正缺帮手呢!我有一系列的心脏标本,这些患者生前我曾长期观察,现在我希望有人来检查他们的心脏。你可以吗?”

基思很快就接受了邀请。在研究过程中,基思在一颗心脏中注意到右心房和上腔静脉交界处有一个不规则组织的局限性复合体。当时他尚不知田原淳的工作,没有意识到这一发现的意义。

这是基思第一次与幸运之神擦肩而过。

1905年底,麦肯齐给基思一篇关于希氏束传导通路的文章。麦肯齐问基思是否能确认该结构在人类心脏上的存在。基思无法证实它的存在,他甚至给麦肯齐写了一封信,说他已经放弃了对希氏束的研究,并下结论说:从来没有过这样的结构,至少不是在他所谓的“希氏束”中。

基思一错再错。

后来,麦肯齐给基思又发了一篇由路德维希•阿朔夫描述田原在马尔堡研究的房室结传导系统的文章。在两次错过了幸运之神的抬爱之后,这回基思开始警觉起来……

在1906夏天,基思招募一位伦敦医院的医学生即马丁•弗莱克(1882–1931)来实验室工作,这一实验室是基思在其别墅内建造的。在麦肯齐氏的反复提醒敦促之后,基思对于寻找那难以捉摸的心脏冲动起源点的解剖学位置已经产生了兴趣。他知道此前很多人均提出过这个位置位于动物的上腔静脉和静脉窦交界处附近的区域,基思和弗莱克试图通过微观研究找到这一确切的位置。

某一天,基思和他的妻子都在骑自行车,弗莱克在右心房与上腔静脉交界处发现了一个不同寻常的结构,它不同于周围的心肌细胞。基思回来的时候,弗莱克兴奋地指出,类似田原式结的描述,他还曾在麦肯齐的心脏标本上见过。此外,该结构与迷走神经和交感神经干相连,具有特殊的动脉供应,位于加斯克尔等人提出的初始兴奋区。这一结构也在可以所有其他哺乳动物的心脏标本中发现。根据这一解剖发现,他们得出结论,“事实上,在这个区域存在一个恒定的特殊分化纤维,因为该结构与影响心脏节律的神经联系紧密,我们非常重视这些纤维,正是在这一区域,心脏的控制节律才开始。”

他们的研究结果发表于1907年的《解剖学杂志》,随后,他们发现的结构被命名为窦房结,此即心脏起搏的始发点,也就是房室结的上级单位。事实上窦房结、房室结以及希氏束-浦肯野纤维等处的心肌细胞都具有自动起搏的特性(也即心肌的自律性),只不过在正常情况下,窦房结以下的这些结构不会胡乱造次,山中有老虎,猴子不能称霸王,只有在病态异常情况下,房室结才能擅自做主,影响甚至控制心脏的节律,这便是心律失常。

至此,对心脏搏动起源部位和房室结通过房室传导的长期探寻终于完成。

1901年,Willem Einthoven发明了的弦线电流计以记录和测量心脏的电活动,这就是我们所熟知的心电图仪。从1910年到1915年,伦敦的托马斯•刘易斯应用Einthoven心电图验证窦房结的位置,他还追踪了整个心房和心室的兴奋传导通路,从而为这个复杂的心脏电系统的提供了简单便捷的检查手段。

在科学探索中,即使找对了研究方向,即使经过了不懈努力,也不见得就能有所发现,而基思却是上有料事如神的老师,下有洞察秋毫的学生,虽一错又错,最后还能在该研究领域有重要斩获,如此的运气,真是让人嫉妒。

(心脏电传导通路示意图)

(心脏电传导通路示意图)

他曾写信给麦肯齐氏承认错误,他说:“此前对那个重要结构视而不见,我真是个傻子啊!”

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One Response to “心跳如火器激发般瞬间完成,那么是谁扣动了扳机?”

  1. 1mol woodpecker说道:

    心脏的故事还没有结束

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