May 4, 2025
Yi Heng Sung
This project uses the stories of historical scientists to highlight the essence of scientific inquiry—observation, reasoning, and experimentation—encouraging Taiwanese middle school students to view the world through a scientific lens. In this article describes the Bell-Magendie Law and its development. By presenting the story behind the discovery, this article also helps students grasp how scientific theories are formed. It also highlights that many scientific laws are not the result of a single genius breakthrough, but rather the accumulation of contributions and debates among multiple scientists.
This article explores a major development in early 19th-century neurophysiology: the discovery of the Bell-Magendie Law. Through this story, readers not only learn the scientific content of the law itself but also gain insight into how it emerged from the research and debate between Charles Bell and the French scientist François Magendie. This provides students with a clear view of how scientific laws are often built through a process of observation, experimentation, revision, and interpretation involving multiple researchers.
In recounting this historical episode, the article presents Bell’s experimental work and discoveries, while also discussing how Magendie complemented and extended these findings to form the spinal nerve function theory we know today. This narrative approach shows students that scientific progress is rarely linear or straightforward—it is instead filled with trial and error, revisions, and collaboration.
In this science history project, I was responsible for academic research and article writing. I consulted multiple peer-reviewed journals and professional publications in the field of science history to accurately reconstruct the historical context of this discovery. Beyond presenting scientific knowledge and its development, I placed particular emphasis on character portrayal—using historical documents to depict Bell’s personality traits, decision-making motives, and the evolution of his scientific viewpoints. This allowed students to better connect with this historical figure and understand the scientific choices and challenges he faced.
Additionally, to help students more clearly grasp the functions of the dorsal and ventral roots of spinal nerves, I created illustrations of the relevant neural structures and signal transmission pathways. These visuals made abstract concepts more concrete and supported comprehension and classroom teaching.
This article about Bell helps students develop a deeper understanding of spinal nerve structures and the direction of neural signal transmission. Through the stories of Bell and Magendie, students not only learned about the formation of a key neural law, but also gained a fuller appreciation of how scientific discoveries are built step by step over time.
By presenting the full historical context and reconstructing the scientific experiments of the time, the article not only taught students how scientific theories are formed but also encouraged them to think like scientists. It showed that how researchers begin with observations and hypotheses, conduct experiments, and revise their theories based on results—giving students insight about how scientific inquiry is actually conducted.
The article was also adapted into a short educational video, which received positive feedback from students. One student shared, “I just started seventh grade and we’re learning this topic—after school lessons, it’s so convenient to come back and review!” Another commented, “I didn’t know there were motor nerves (from the brain) and sensory nerves (to the brain), and some reactions don’t even go to the brain—they go straight to the spine! Thanks for the clear and easy-to-understand video!” Others simply said, “I can use this video to review—thank you!” These responses show that both the article and video successfully enhanced students’ understanding of neuroscience and provided them with accessible tools for review, while also inspiring greater curiosity and interest in scientific learning.
Copyright: LIS 情境科學教材
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神經科學一直是在不論醫學或是生物學裡面都屬於相當困難的領域，雖然現在我們已知神經訊號是透過電來傳遞，但是對於還不知道這個祕密的人們，因為他們「看不到」神經的傳遞，所以只能透過神經造成的影響或是結果來探究神經科學的奧秘。除此之外，神經系統也相當複雜，因此從古至今在神經議題上都有很多爭議與討論，例如古希臘時代時的人們對於人類的意志到底是來自於心臟還是腦而爭論不休，到現在許多神經相關疾病的致病機轉也都尚未下定論。
Nerve 的字源來自古希臘語，意思是肌腱。雖然神經與肌腱外型非常相似，但是從這個字源就可以看出在古代連神經的存在都相當神秘。第一個在解剖上找到神經的是大約在西元前三世紀，亞歷山大時期的 Herophilos，他是第一位從將神經與肌腱和血管等軟組織分離的科學家。Herophilos 的大體與活體解剖經驗相當豐富，他通過觀察不同的神經在損傷後，會喪失部分感覺或是部分運動功能，判斷出感覺與動作是由不同神經控制。Herophilos 也透過解剖首次區分了大腦與小腦，而他的同事 Erasistratus 進一步研究大、小腦的功能。Erasistratus 注意到大腦與小腦的功能可能有所不同，他透過比較許多不同動物的大、小腦的構造，發現跑得比較快的動物小腦構造似乎比較複雜，因此他推測小腦可能與運動有特別的關係。西元一世紀的古羅馬科學家 Galen 繼承 Herophilos 的發現，透過觀察傷口和動物的活體解剖，Galen 進一步發現脊髓是腦的延伸，並發現頭頸部以下的感覺與運動都是由脊隨負責，而不是大腦。然而可惜的是，脊隨的研究從此停滯了十五個世紀以上，直到 19 世紀蘇格蘭科學家查爾斯·貝爾的靈光一閃。
1774 年蘇格蘭愛丁堡，查爾斯·貝爾 (Charles Bell，文中簡稱為貝爾 ) 出生於一個六人家庭。貝爾的爸爸是蘇格蘭聖公會的牧師，他相當重視小孩的教育，他非常努力讓他所有小孩都能接受良好的教育。因此貝爾的兄弟們都相當有成就，大哥 Robert 和三哥 George Joseph 都在法律界裡有卓越的表現，二哥 John 則是與貝爾一樣進入醫界，成為傑出的外科醫師。但是在貝爾出生後沒多久爸爸就早逝了，由媽媽拉拔長大的貝爾受媽媽影響較大，因此他的成長過程註定與哥哥們不一樣。貝爾從小遺傳媽媽藝術天份，對繪畫相當有興趣，因此媽媽也不惜成本聘請當時在蘇格蘭相當有名的畫家定期來教貝爾畫畫。
圖│查爾斯·貝爾 (Charles Bell)
高中畢業後，貝爾決定跟隨二哥 John 的腳步進入醫界，因此於 1792 年進入愛丁堡大學。當時已經成為優秀外科醫師的二哥相當照顧弟弟，他除了收弟弟貝爾當自己的學徒，後來還聘請他在自己開設的解剖課程中當助手。在大學期間，貝爾除了學習解剖與醫學的課程外，也不忘自己對於繪畫的熱情與天賦，特別參加繪畫的課程以提高自己的藝術造詣。爾後，貝爾結合自己的解剖專業與藝術專長，不僅繪製許多非常精細的解剖插圖，也製作了許多解剖模型，部分作品目前仍收藏於愛丁堡皇家外科學院的外科醫生大廳 (Surgeons' Hall from Royal College of Surgeons of Edinburgh)。
圖│貝爾的二哥 John Bell
圖│貝爾繪製的解剖插圖
大學畢業後的貝爾與二哥 John 合作無間，一起上過無數次手術檯，而且還一起出過有關人體解剖的書。兩人都在愛丁堡皇家外科學院教書，也一起在愛丁堡皇家醫院擔任外科醫師。但是由於二哥直言不諱的性格，得罪了當時愛丁堡醫界相當有權有勢的教授 James Gregory，兄弟倆因此都失去了工作。1804 年，在貝爾 30 歲時，三哥 George Joseph 覺得如果貝爾繼續待在愛丁堡，他的醫師職涯與發展會相當受到許多限制，因此建議他離開愛丁堡到倫敦發展。
圖│貝爾的三哥 George Joseph Bell
抵達倫敦後，貝爾繼續在家裡製作許多不同的人體解剖模型，繪製各種不同的解剖插圖，同時他也在家裡開設解剖學與解剖插畫的課程，許多學生都到他在倫敦的家上課。貝爾似乎在藝術的造詣上勝過他在醫學的成就，1806 年出版的解剖繪畫刊物，馬上就獲得藝術界的高度肯定，但是貝爾的外科手術技巧卻備受質疑。當時大批傷兵從拿破崙戰爭中的滑鐵盧戰役撤退，熱心的貝爾自願前往前線參與傷兵的治療，但是接受貝爾手術的士兵術後生存率卻非常低，當時有 12 名士兵接受貝爾的截肢手術，而之中卻只有一名生還，連當時在前線的助手都曾表示貝爾的手術技巧仍有待加強。
即便貝爾外科手術的能力並不是特別突出，他對於醫學、解剖學的熱情並不因此有絲毫減少。他在這段時間過著一邊教學、一邊做研究，還一邊繪畫的生活，可能因為解剖插圖繪製的需要，他對人體的器官觀察入微，器官的顏色、觸感、形狀、大小、位置對他來說都是很重要的資訊。在這樣的仔細地觀察中，貝爾注意到大腦和的小腦雖然都在腦部，但是其顏色、結構和鄰近的血管結構等都有明顯差異。從動物界來說，不同的種類的動物有不同的外型，而也因為不同的外觀，牠們的特長、能力也都不一樣。貝爾從這個觀察中得到啟發，他覺得生物的功能可能造成外觀的差異，而外觀的差異可能來自功能的不同。
貝爾在眾多的解剖經驗中，他觀察到每一節的脊髓都會左右分出兩隻神經。但是奇怪的是，貝爾發現不論哪一節、左邊還是右邊，一定都是分別從脊髓的前面和後面分支出來後，在脊髓旁邊會合成一隻比較粗的神經。貝爾認為這樣多此一舉的設計，如果背後沒有任何的意義的話，就不符合他所觀察到大自然的規律。因為根據他觀察大腦與小腦的功能差異與外觀差異時得到的啟發，器官的外觀差異可以來自功能差異，而器官的功能差異會造成外觀的差異。若是一條脊神經從脊髓分出來時需要先分成兩支，再合併成一支，那麼這個現象背後應該有功能上的原因。
圖│脊髓的解剖構造，從前面和後面分支出來的神經必定會匯合成一條神經
貝爾當時身處的科學界其實對於神經的研究仍不完整，缺乏對於整個系統和架構的了解，貝爾覺得大腦與神經充滿了謎團，前人的研究有時候還和當時做出的研究解果互相矛盾。由於貝爾家庭的宗教影響，他聯想到他所信奉的自然神學 (Natural Theology)，因為神造萬物，所以萬物背後都應該有一個美麗、優雅又合理的系統，代表腦與神經不應該這樣雜亂無章，背後應該也有一個美麗的系統。
相對於神經，18 世紀的科學家們當時對血液循環系統就已經有了比較完整的了解。貝爾聯想到 17 世紀英格蘭科學家威廉·哈維透過實驗證明血液的循環系統，血液由心臟通過動脈送出，在經由靜脈送回心臟，貝爾覺得這樣的系統非常的美麗，非常合乎他自然神學的概念。貝爾認為神經可能也有血液循環相似的系統，代表神經可能也和血管一樣具有方向性，從脊隨前後分出來的這兩條神經就像動、靜脈一樣，因為方向不同所以才需要分成兩支，而腦的功能就像心臟一樣，神經系統其實就與血液循環系統一樣有一個固定的傳遞路徑。因此他認為，神經有可能和血液循環一樣有系統與方向性，從脊髓分出來的其中一支神經負責將從感官獲得的感覺訊息傳遞到腦部，腦部收到訊息後透過另一支神經負責輸出動作訊息到負責的運動器官。
圖│威廉·哈維 (William Harvey)
如果貝爾的假設成立的話，因為那兩隻從脊髓分出來的神經各自負責不同功能，那麼如果只刺激其中一支從脊髓分出來的神經，應該會只出現動作或是只出現針對感覺出入的反應。但是貝爾因為倫理的因素而極度反對活體解剖，因此貝爾用決定使用死掉的兔子當實驗體，透過刺激兔子脊髓分出來的兩隻神經來觀察兔子的肌肉是否有任何反應。貝爾觀察到如果他先破壞了後面的神經，再用刀子的前端刺激前面的神經的話，兔子出現肌肉抽蓄的現象；如果他破壞了前面的神經，再刺激後面的神經，兔子並沒有產生抽蓄。
圖│貝爾實驗的示意圖
貝爾認為，實驗證明從脊髓前面出來的神經 ( 腹根 ) 負責運動訊息，但是另外一隻從後面出來的神經 ( 背根 ) 因為貝爾並沒有進行活體解剖，所以並沒有確切的實證證明背根神經的功能。但是貝爾以哲學、理性的推理方式推論出背根神經是負責感覺的神經 ( 已知神經分成感覺神經與運動神經，當確定腹根神經是運動神經後，那麼剩下的那一條神經在已經確定不是運動神經的情況下，就是對應到剩下的功能，感覺 )。因此依照實驗結果與假設，貝爾提出當我們接收感覺訊息後，感覺訊息將透過感覺神經傳到腦部，腦部發出對應的動作訊息後，再經由運動神經把動作訊息傳到各個運動器官。
貝爾的報告吸引了法國科學家 François Magendie 的目光，他認為貝爾的實驗裡兔子已經死亡，他怎麼能「確認」背根神經就真的是感覺神經呢? 因為他並沒有反對活體解剖，所以他決定使用脊椎骨比較軟的小狗來做活體實驗，來驗證貝爾當初沒有觀察到的部分。Magendie 觀察到：(1) 如果切斷後面的神經，再刺激前面的神經，那麼小狗也會出現抽蓄的現象，但是如果刺激小狗的肢體，小狗也不會有反應，這個部分和貝爾的實驗結果相似，表示腹根神經為運動神經，並不包含感覺的功能；(2) 如果切斷前面的神經，雖然不管怎麼刺激肢體或是刺激後面的神經，肢體都不會動，但是小狗的肢體仍會對刺激有反應，這個現象是貝爾當初沒觀察到的，表示背根神經為感覺神經，並不包含運動的功能；(3) 如果切斷前後兩支神經的話，怎麼刺激都不動，也不會有其他反應，表示該部位的所有感覺與動作都是有這一節的脊神經控制。經過 Magendie 的實驗，證實背根神經確實為感覺神經，補足當時貝爾實驗不足的地方，讓當代的科學家更相信貝爾提出來的這個理論。
歷史小故事
貝爾的實驗結果與結論收錄於 1811 年貝爾自費印刷出版的小冊子裡，因為經費有限所以他只印 100 冊，並且只分發給自己的親朋好友，並沒有公開發表。很可惜的是，當時這 100 本小冊子並沒有引起什麼迴響，也沒什麼人給貝爾回應，因此心灰意冷的貝爾只好摸摸鼻子繼續做相關的研究，收集證據。10 年後，捲土重來的貝爾將重新整理過的資料，加上他這 10 年來的研究內容，整理成一份報告於 1821 年呈現給英國的皇家學會。貝爾對於自己的研究結果非常自豪，想和其他科學家分享自己的研究成果。因此他派他會講法文的助手 John Shaw 到法國，跟當時已經十分有影響力的法國科學家 Magendie 分享自己在神經系統上的研究。雖然成功地引起 Magendie 的興趣，但是卻帶給貝爾意想不到的災難。
即使貝爾的推論相當合理，但是當時的學界和現在一樣傾向實證醫學，貝爾因為強調生命倫理的關係，沒有「證明」背根神經是感覺神經。Magendie 認為貝爾當時的實驗體已經死亡，他怎麼能「確認」背根神經就真的是感覺神經呢? 而 Magendie 和貝爾不同，非常常執行活體解剖，他當時在英國學界相當惡名昭彰，號稱最殘酷的活體解剖學家，因此 Magendie 沒有任何顧慮的打算利用活體動物來研究背根神經的功能。Magendie 決定使用數隻小狗來當研究素材，因為小狗的骨頭尚未發育完全，比較容易切開脊椎骨並不破壞裡面的脊髓，最後補足貝爾實驗不足的地方，成功證明貝爾的理論是正確的。
圖│François Magendie
貝爾透過他細緻的觀察、實驗與推論 ( 演繹 ) 出脊隨的腹根神經是運動神經，而背根神經是感覺神經，而 Magendie 透過高超的實驗技巧證實 ( 歸納 ) 貝爾提出的理論是正確的，但是故事還沒有結束。Magendie 於 1822 年發表了有關腹根神經與背根神經的論文，他聲稱他是第一個發現這個現象的人。因為 Magendie 認為他是第一個做出實驗「證明」脊隨的腹根神經是運動神經，而背根神經是感覺神經，貝爾則是啟發他做這個實驗的人，但是因為貝爾的實驗並不完整，而且他沒有正式發表論文，所以他不能算是第一發現人。貝爾氣得跳腳，他覺得自己的研究成果就這麼白白的被偷走了，非常不甘心。因此貝爾奮力回擊，他說 Magendie 覺得自己的研究方法有問題，但是 Magendie 的這種殘酷又不尊重生命的研究方法才是有問題的。當時因為拿破崙戰爭結束沒多久，多數英國人對於法國人相當反感，因此當時在英國的輿論多數都是傾向支持貝爾的，許多教授甚至政治人物都跳出來抨擊 Magendie 的殘忍，1822 年時大英帝國甚至還立法反對活體解剖。但是也是因為拿破崙戰爭，許多到巴黎留學的醫學生紛紛回國，活體解剖似乎在英國的接受度慢慢提高，輿論逐漸對貝爾不利，慢慢失去支持者的貝爾決心要靠自己把這個成就討回來。貝爾發現醫學界的改變，當時實證和論文發表變得越來越重要，因此他也默默調整他的論點。為了這個人生成就，信仰、面子等什麼都不在乎的貝爾，於 1829 年表示他重複 Magendie 的實驗但是完全失敗，他認為 Magendie 這個實驗根本不可能成功，所以 Magendie 一定是偷了他的結論。
貝爾拋棄一切執著的渾身一擊雖然看似滑稽，但是其實他的論點也是 Magendie 的論文的弱點。Magendie 的實驗確實非常困難，當時許多科學家嘗試做類似的實驗但是都相繼失敗，其中包含德國的科學家 Johannes Peter Müller。由於若是一個實驗不能透過其他人之手重現相同實驗結果 ( 實驗的可重複性 )，那麼就會引起其他科學家的懷疑，對其發現抱持懷疑與不信任感。而 Müller 也因會多次實驗失敗，開始懷疑這個理論的真實性。但是 Müller 經過多次失敗經驗，終於找到最佳實驗體：青蛙，因為青蛙的神經系統較簡單，解剖青蛙的脊髓所需的實驗技巧門檻比較低。1831 年 Müller 通過解剖活體青蛙，透過分別切斷腹根神經與背根神經來觀察蛙腿的反應，證明貝爾當初提出來的理論是正確的。這個實驗分別解決貝爾的「實證」問題，也解決 Magendie 的「可重複性」問題， 雖然 Müller 並不是發現的第一人，但是因為他的實驗補足了兩位的不足，所以現在提到背根與腹根神經的發現時也會提到他。而至於兩位爭論不休的發現者，後世的科學史學家為了尊重他們在這個發現上的貢獻，以兩位的名字命名這個充滿爭議性的發現：Bell–Magendie law。
圖│Johannes Peter Müller
貝爾的這個發現雖然看似平凡，即使知道一條脊神經是一條從後面出來的感覺神經和一條從前面出來的運動神經組合起來的，好像沒有什麼特別了不起。但是科學的發展就是一點一滴的累積，前人的發現就是後人研究的基石，即使看似很小的發現，都可能是解開巨大謎團的最後一把鑰匙。人類除了自主運動外，也有一些不受意志控制的動作，例如擊打膝蓋骨下方後小腿會向上踢起，我們將這種不受意志控制的動作稱為反射動作。18 世紀時，就已經有科學家發現脊髓是許多反射動作充分必要器官，但是當時的科學家們仍然不清楚反射動作到底作用機制是什麼、怎麼產生的。而到了 19 世紀，因為貝爾發現背根神經與腹根神經的功能，這個發現啟發了英格蘭科學家 Marshall Hall 重新思考反射動作的謎團。Hall 有一天意外觀察到一隻已經斷頭的蠑螈身體竟然還在動，他發現說不定不是每一個動作都需要大腦的指示，反射動作整個處理流程有可能在脊髓就完成了。1833 年，Hall 基於貝爾的發現，而提出反射動作是從背根神經輸入感覺訊息，輸入的訊息直接在脊髓往前傳到前面，通過腹根神經迅速輸出動作訊號並產生動作，也就是大家所熟悉的反射弧 (reflex arc) 的概念，成為現代神經生理學的基礎。
自從古羅馬科學家 Galen 後，脊髓研究停滯的時鐘又因為貝爾的發現再次動起來了。雖然貝爾無法獨佔發現人的寶座，但是不論是貝爾的發想、推論，Magendie 的驗證和 Müller 的實驗改良，都是在推動神經科學發展上功不可滅的成就。
圖│Marshall Hall
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