顧凡及

復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 200433

現(xiàn)代視覺科學(xué)之父
——休伯爾

顧凡及?

復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 200433

介紹了被人稱為“現(xiàn)代視覺科學(xué)之父”的美國神經(jīng)科學(xué)家休伯爾的生平、對視覺研究的貢獻和治學(xué)之道。

休伯爾；視皮層；朝向選擇性；視覺功能柱；神經(jīng)可塑性

哈佛大學(xué)的休伯爾(David Hubel)和維澤爾(Torsten Weisel)對這一腦區(qū)的結(jié)構(gòu)進行了極為細(xì)致的研究，他們的一系列研究最終得了諾貝爾獎。從1960年到1980年這20年中，根據(jù)他們的研究所得到的有關(guān)視覺通路的知識要比以前200年研究所得的結(jié)果還多，因此他們當(dāng)之無愧地被認(rèn)為是現(xiàn)代視覺科學(xué)之父。

——拉馬錢德蘭(V. S. Ramachandran)[1]

圖1 休伯爾(右)和 維澤爾(左)在1981年的合影(引自nobelprize.org)

2016年是神經(jīng)科學(xué)家休伯爾(David Hunter Hubel，1926—2013)誕辰90周年。他的父母都是美國人，20世紀(jì)大蕭條時到國境對面的加拿大謀生，他就是在那兒出生的，因此擁有美、加雙重國籍[2]。1981年，由于對視覺信息處理所做的開創(chuàng)性工作，他和他的長期合作者瑞典神經(jīng)科學(xué)家維澤爾(Torsten Nils Wiesel)共同獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎 (圖1)。

早年生涯[2]

休伯爾盡管以神經(jīng)科學(xué)家聞名于世，但是直到考研之前，他沒有受到過任何有關(guān)生物學(xué)的正規(guī)訓(xùn)練，學(xué)的一直是數(shù)學(xué)和物理。1947年大學(xué)畢業(yè)，他同時收到麥吉爾大學(xué)(McGill University)物理學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究生錄取通知，這樣在他的人生道路上就面臨第一個何去何從的重大問題。說實在的，當(dāng)時報考醫(yī)科純屬一時沖動，他既無醫(yī)學(xué)訓(xùn)練的背景也毫無這方面的經(jīng)驗，只是模模糊糊地有把物理知識運用到醫(yī)學(xué)研究上去的一些想法，而當(dāng)一名醫(yī)生似乎頗有吸引力。此外，對于一個21歲的年輕人來說，什么才最適合于自己并沒有想得那么清楚，醫(yī)科的在讀時間長，范圍又廣，也許正好給他充分的時間去做進一步的考慮。不過直到正式報到之前，他也還沒有拿定主意。他想向校方咨詢一下，而答復(fù)是“不用著急，再想想吧，想定了之后告訴我們一聲?！边@種寬容的態(tài)度反而使他決心一試，這一試卻最后“試”出了后來的諾貝爾獎，這該是他始料之所未及。

當(dāng)他剛開始研究生生涯時還不太習(xí)慣當(dāng)時的醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)。由于他原來的學(xué)習(xí)方法是只要在課堂上聽懂了，或是書讀懂了，就不再專門去記憶，這樣他在第一學(xué)期的期中考試中有4門課程只得了平均水平的C。不過漸漸地他對神經(jīng)病學(xué)和神經(jīng)解剖感起興趣來了，因為這兩門課程既復(fù)雜又充滿了神秘之處，而且麥吉爾大學(xué)在這兩方面又有很強的力量。例如：在世時曾被譽為當(dāng)時“最有影響力的加拿大人”的神經(jīng)外科教授彭菲爾德(Wilder Penfeld)就在那兒任教。

從醫(yī)學(xué)院畢業(yè)之后，他在蒙特利爾總醫(yī)院(Montreal General Hospital)當(dāng)實習(xí)醫(yī)生。盡管如此，他熱切地希望能做點研究工作，為此他參加了一個討論班。班上每個人都分配到一個題目做報告，而他分到的是視覺問題——一個之前他從未涉足的領(lǐng)域。為了準(zhǔn)備報告，他偶然讀到美國神經(jīng)科學(xué)家哈特蘭(Keffer Hartline)和匈牙利裔美國神經(jīng)科學(xué)家?guī)旆蚶?Stephen W. Kuffler)有關(guān)視覺感受野的論文，這引起了他極大的興趣。恰巧到他那兒進修過的一位美國醫(yī)生在回國后打電話給他，問他是否愿意到霍普金斯當(dāng)神經(jīng)病學(xué)的住院醫(yī)生。盡管霍普金斯大學(xué)并不以神經(jīng)病學(xué)見長，但是其神經(jīng)生理學(xué)則是一流的，蜚聲世界的芒卡斯?fàn)?Vernon Mountcastle)和庫夫勒就在那兒工作。于是他就去了那兒。更令他高興的是，在醫(yī)院里所有和神經(jīng)病學(xué)有關(guān)的員工中午都在醫(yī)生食堂的同一張桌子上用餐，其中也包括芒卡斯?fàn)柡蛶旆蚶?，他們的友好和善和平易近人一下子就拉近了彼此的距離。然而由于他的雙重國籍，他被應(yīng)召入伍而暫時離開了霍普金斯，到華盛頓的瓦爾特·里德部隊研究所(Walter Reed Army Institute of Research)從事神經(jīng)生理學(xué)研究工作，在那里他有了對自己研究方向的完全自主權(quán)。

發(fā)明鎢絲電極

最初指導(dǎo)他電生理實驗的是研究脊髓的神經(jīng)科學(xué)家福特斯(Mike Fuortes)。一開始福特斯準(zhǔn)備和他一起做記錄貓脊髓的實驗，他隨便地問了一下休伯爾：是否做過解剖？是否麻醉過貓？是否制備過電極？是否使用過放大器？令他失望的是休伯爾的回答統(tǒng)統(tǒng)都是“沒有”。福特斯轉(zhuǎn)頭望著窗外，過了一回兒，他說還是先做蛙坐骨神經(jīng)的復(fù)合動作電位記錄吧！只是到了那天下午他們才在一起做了貓的實驗，并在最后一起發(fā)表了他的生平第一篇論文。

接下來該是他有自己獨立的課題的時候。他從福特斯向他建議的若干個方案中選取了一個用外面包有絕緣層的細(xì)金屬絲電極插到貓腦內(nèi)記錄單細(xì)胞活動的課題。不過第一次實驗以完全失敗告終。他發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵是他需要一種電極，既細(xì)到可以只記錄單個細(xì)胞的活動，又必須足夠牢固到可以插入腦內(nèi)，而且還要能可靠地逐漸向腦內(nèi)推進。這并沒有像初想起來那么容易。幸而研究所儀器組的組長萊文(Irvin Levin)是一位電化學(xué)專家，教給了他通過電解把鎢絲腐蝕成尖端非常尖的方法，而他自己又非常喜歡動手。這樣在克服了種種困難之后，他終于制備出了適用于腦內(nèi)記錄的鎢絲電極，而鎢絲的堅韌性克服了以前就有的不銹鋼電極的缺點；另外他還發(fā)明了逐步推進電極的液動推進器。結(jié)果，不僅他所在研究所的人員都改而采用他的鎢絲電極，而且所外來取經(jīng)學(xué)習(xí)的同行也陸續(xù)不斷，其中一位就是來自霍普金斯庫夫勒實驗室的博士后維澤爾。當(dāng)時他們決沒有想到這會是他們長期合作的開端，并最終獲得諾貝爾獎。

視覺研究初探

休伯爾在發(fā)明鎢絲電極之后非常興奮，他用自己的電極在腦中各處進行記錄。他的同事提醒他不要忘了發(fā)明電極的初衷——記錄可以自由活動的貓腦中的單細(xì)胞活動。一句話點醒夢中人，該把鎢絲電極作為一種工具用來研究腦功能了，但是究竟選取什么具體課題呢？多年前讀過的哈特蘭和庫夫勒的文章閃過腦際，他決定以視覺皮層作為對象。他定下的第一個課題是比較貓在清醒和睡眠時視皮層的自發(fā)活動和對光刺激的反應(yīng)。不過由于貓在睡著時眼睛是閉著的，透過眼皮的光只能是彌散光，因此為了對照起見，對清醒貓所加的光刺激也用了彌散光。其實視皮層細(xì)胞對彌散光的反應(yīng)，德國科學(xué)家榮格(Richard Jung)從1952年開始就進行研究了，他們還花了多年時間開發(fā)了一套當(dāng)時最先進和精密的設(shè)備，可以記錄視皮層細(xì)胞對彌散光刺激的反應(yīng)。他們報告說在腦中記錄到四種不同類型的細(xì)胞：只在給光時有反應(yīng)的給光細(xì)胞、只在撤光時才有反應(yīng)的撤光細(xì)胞、在給光和撤光時都有反應(yīng)的給光-撤光細(xì)胞，以及還有一種對彌散光刺激根本就沒有反應(yīng)的細(xì)胞。他們把這最后一種細(xì)胞稱為“A型”細(xì)胞。這前三種細(xì)胞的對光反應(yīng)特性和外膝體以及視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的對光反應(yīng)特性類似。當(dāng)他把自己準(zhǔn)備從初級視皮層進行記錄的計劃告訴同事時，許多同事的反應(yīng)都是：“為什么要研究紋狀皮層呢？我想榮格已經(jīng)徹底地對此進行過研究了?！币粋€初出茅廬的博士后白手起家怎么能在同一個方向上挑戰(zhàn)當(dāng)時公認(rèn)的視皮層生理研究權(quán)威呢？然而，休伯爾通過他所開發(fā)的對記錄部位進行標(biāo)記的方法發(fā)現(xiàn)，榮格所說的前三種細(xì)胞其實記錄的都是從外膝體來的神經(jīng)束，因此并不是皮層細(xì)胞。他們的結(jié)果其實只是說占他們記錄數(shù)一半的沒有反應(yīng)的“A型”細(xì)胞才是真正的皮層細(xì)胞！這些細(xì)胞對彌散光沒有反應(yīng)，對單純的給光或是撤光也沒有反應(yīng)。有一次，他在貓的眼前揮手，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一個細(xì)胞只對向某個特定方向的運動有反應(yīng)，而另一個細(xì)胞則只對相反方向的運動有反應(yīng)，因此皮層細(xì)胞必定是對更為復(fù)雜的刺激才有反應(yīng)！當(dāng)他把這個結(jié)果告訴庫夫勒時，后者評論說：“非常有意思！”

休伯爾服役期滿之后，有一次當(dāng)他去參加學(xué)術(shù)會議時芒卡斯?fàn)栍鲆娝?，問他是否愿意回到霍普金斯大學(xué)生理系繼續(xù)視覺研究。當(dāng)時芒卡斯?fàn)栆咽瞧由窠?jīng)生理學(xué)的國際領(lǐng)軍人物，他在體感皮層上發(fā)現(xiàn)的柱狀結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為是皮層生理學(xué)繼發(fā)現(xiàn)皮層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后的又一重大發(fā)現(xiàn)。對于這樣一位權(quán)威的熱忱邀請，休伯爾頗有受寵若驚之感而馬上答應(yīng)了下來。但是正當(dāng)他整理行裝準(zhǔn)備赴任時，芒卡斯?fàn)柎螂娫拞査芊裢七t半年去，因為他的實驗室正準(zhǔn)備改建和重新分配。正當(dāng)他為這青黃不接的半年犯愁時，庫夫勒問他愿不愿意在芒卡斯?fàn)柕膶嶒炇腋慕ㄍ瓿梢郧?，先到約翰·霍普金斯醫(yī)院眼科研究所他的實驗室里和維澤爾一起工作一段時間。休伯爾本來就很想在視覺方面接受嚴(yán)格的訓(xùn)練，而他和維澤爾又意氣相投，所以事情就這樣決定了。

初級視皮層朝向敏感細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)

1958年7月休伯爾終于回到霍普金斯大學(xué)開始了和維澤爾長達(dá)25年的密切合作。當(dāng)然，兩人一開始得制定一個計劃，目標(biāo)是當(dāng)年庫夫勒在發(fā)現(xiàn)貓視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的感受野具有同心圓結(jié)構(gòu)之后諾貝爾獎得主英國神經(jīng)生理權(quán)威阿德里安(Edgar D. Adrian)問他的一個問題：“腦里的細(xì)胞也是這樣的嗎？”要回答這個問題，休伯爾-維澤爾這一兩人組合是很理想的。維澤爾早就在研究貓視網(wǎng)膜各層細(xì)胞的感受野方面具有豐富經(jīng)驗，并且有一整套相應(yīng)設(shè)備；而休伯爾則開發(fā)了研究清醒貓皮層單細(xì)胞活動的方法，并且發(fā)明了適合這一研究的鎢絲電極。庫夫勒對貓視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞感受野的經(jīng)典研究則似乎早就為他們把其結(jié)果擴展到皮層細(xì)胞樹立了樣板。一個“自然”的方案就是仿照庫夫勒研究視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的方法，把微電極插到初級視皮層的神經(jīng)細(xì)胞里面去，然后用小光點一點點地在視網(wǎng)膜上探測，看它落到視網(wǎng)膜的哪些地方才能引起所記錄的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)放模式的變化，以及發(fā)生的是什么樣的變化，并把視網(wǎng)膜上的這些地方標(biāo)出來，這樣就可以得出這些細(xì)胞的感受野的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。

因為當(dāng)時預(yù)計他在庫夫勒實驗室的工作只有一年，顯然不可能像榮格那樣先花兩年時間建立一套完善的實驗設(shè)備，而只能因陋就簡了。他們所有的刺激和記錄設(shè)備都是多年以前庫夫勒為了研究視網(wǎng)膜設(shè)計的。貓臉朝上。光刺激器是用一臺眼底鏡改裝而成，它可以把背景光和光點刺激投射到視網(wǎng)膜上去。在這臺儀器的一道狹縫里可以插入有各種大小不同的小孔的矩形金屬薄片，就像放幻燈片那樣。如果刺激是一個暗點，那么就用一小塊上面粘有黑點的玻璃片來代替。這樣的儀器對于做視網(wǎng)膜實驗自然很理想，做實驗的人可以看到微電極插到視網(wǎng)膜的地點，也可以看到光點所落之處，但是用它來記錄皮層細(xì)胞就非常不方便了。一個月以后他們決定把刺激投射到一塊屏幕上，而讓貓看屏幕。由于他們沒有其他的設(shè)備可以固定貓的腦袋不動，所以還是用老的那臺儀器，貓臉依然朝上。這樣他們不得不拿一條床單掛在天花板上作為屏幕以呈現(xiàn)刺激，這使實驗室看起來有點像馬戲場似的。

他們?nèi)〉玫耐黄菩赃M展很有戲劇性。休伯爾在他的諾貝爾獎演講中回憶說：

我們最初的發(fā)現(xiàn)純屬偶然。我們做了一個月左右的實驗。我們用的還是那臺塔爾博特-庫夫勒眼底鏡(庫夫勒及其朋友塔爾博特(S. A. Talbot)發(fā)明的一種新型眼底鏡——引者注)，但是進展甚微：我們記錄的皮層細(xì)胞對光點和光環(huán)根本就沒有反應(yīng)。有一天，我們記錄到了一個特別穩(wěn)定的細(xì)胞?！恢惫ぷ髁?個小時，其結(jié)果使我們對有關(guān)皮層是如何工作的這一問題的想法大為改觀。在頭三四個小時里我們什么也沒有發(fā)現(xiàn)，然后當(dāng)刺激視網(wǎng)膜靠近外周的一些地方時得到了一些沒有規(guī)則的反應(yīng)。但是當(dāng)我們把中間粘有黑點的玻璃板插到投影眼底鏡里面去的時候，用來監(jiān)視神經(jīng)脈沖發(fā)放的揚聲器發(fā)出一連串像機關(guān)槍一樣的聲響。在經(jīng)過一陣茫然不知所措之后，我們終于找到了引起神經(jīng)細(xì)胞發(fā)放的原因所在。原來，這個反應(yīng)和玻璃板上的黑點一點關(guān)系都沒有。實際上，是我們在把玻璃板插到縫里去的時候，玻璃片的邊緣在視網(wǎng)膜上投下了一條雖然比較暗淡卻很分明的陰影，也就是說，在亮背景上的一條暗直線刺激了細(xì)胞的感受野，這就是引起這個細(xì)胞發(fā)放所需要的刺激。不僅如此，要這個細(xì)胞引起反應(yīng)，這種直線的朝向還只能落在一個很小的角度范圍里[3]。

他們稱這個特定的朝向為該細(xì)胞的最優(yōu)朝向，其變化范圍只有15°左右，也就是大致相當(dāng)于鐘面上3分鐘所張的角度，朝向在此范圍之外的暗直線對該細(xì)胞就不引起反應(yīng)。這完全是前人從來也沒有想到過的事！機會永遠(yuǎn)只給那些有準(zhǔn)備的頭腦！一個真正的科研人員的頭腦必須永遠(yuǎn)是開放的。如果他們堅持前人的傳統(tǒng)觀點(哪怕是權(quán)威的觀點)，認(rèn)為小光點是最基本的刺激(這聽起來似乎是很“合乎邏輯”的，前人在視網(wǎng)膜上用它作為刺激所做的工作又是那么成功！)，如果他們堅持認(rèn)為視覺皮層細(xì)胞的特性也真的只可以用它們對小光點刺激的反應(yīng)來研究的話，他們就會以為在插玻璃片時視覺皮層細(xì)胞的猛烈發(fā)放只是一個偶然事件，也許是由不明原因引起的一種偽跡或噪聲，那么一個重大的發(fā)現(xiàn)就會與他們擦肩而過，巨大成功的機會就會輕易溜走！后來他在自己的自傳中對此是這樣說的：

這件事有時被當(dāng)作是偶然性在科學(xué)中扮演重要角色的例子。但是我們從來也沒有覺得我們的發(fā)現(xiàn)是事出偶然。如果要想有所發(fā)現(xiàn)，那么你就得花時間去發(fā)現(xiàn)，你就得對自己的研究方式不過于偏執(zhí)，這樣就不至于抗拒事先無法預(yù)料到的情形。另外有兩個研究組之所以未能發(fā)現(xiàn)朝向選擇性，只是因為他們太“科學(xué)”了：有一個研究組造了臺只能產(chǎn)生水平光條的儀器，而另一個研究組則只能產(chǎn)生垂直光條，他們以為這樣做可以比用動來動去的光點探測視網(wǎng)膜更有效。在科學(xué)研究的某個早期階段，某種程度的馬虎很有好處。我們關(guān)注的是電極推進器、密封小室和電極本身。我們很快就放棄用于視網(wǎng)膜定量工作用的眼底鏡，而代之以貓可以用雙眼直視的一塊大幕布和一臺幻燈機，我們也并沒有對刺激的時程、運動速率或光強都一一定量化。我們給刺激或是撤刺激就用手放在幻燈機前面，也用手操縱幻燈機。我們把注意力集中在刺激的幾何性質(zhì)上，對此我們用卡片盒、剪刀和膠布來作系統(tǒng)的改變。當(dāng)然也可以用電子學(xué)或機械的方法來做到這一切，但是這樣做無論從時間上來說，還是從經(jīng)濟上來說，代價都要高得多，并且還得犧牲掉靈活性[4]。

事情確實是這樣。在對視皮層細(xì)胞特性的研究中，從“起跑線”上來說，和休伯爾和維澤爾相比，榮格要遙遙領(lǐng)先得多，最后他卻讓后來者大大超越了過去，原因之一就是他沒有像休伯爾他們那樣保持頭腦的開放性，不放過各種可能性，而一頭扎進了一種方法、一種思路。他們未能及早領(lǐng)悟到他們所用的刺激形式對視皮層細(xì)胞來說是無效的。盡管哈特蘭曾經(jīng)告訴過榮格，他曾經(jīng)用在彌散光背景下移動小桿的方法尋找撤光神經(jīng)元。榮格也對同事們建議過試試這種方法，但是大家都反對做這種一點也“沒有系統(tǒng)性的、考慮不周密”的實驗。大家認(rèn)為還是建立一套復(fù)雜一些的儀器為好。后來他很懊喪地說：“后來當(dāng)有人問我，為什么我對皮層神經(jīng)元做了五年的研究，卻錯過了發(fā)現(xiàn)朝向特異性，我往往會給他們講這個故事，并且告訴他們?nèi)绻覀儾皇侨ピ炷莻€定量化的機器，而用一根棒以各種朝向動來動去，我們有可能在一個實驗中就做出了這樣的發(fā)現(xiàn)?！焙髞硭偨Y(jié)教訓(xùn)說：“在進入一個新領(lǐng)域的時候，在以某種特定的方法做大量的定量實驗以前，應(yīng)該先用一些比較簡單的定性的探索性試驗做一些嘗試，以便找出最富有成果的方法?！倍@正是休伯爾和維澤爾所做的。

為了確信他們的發(fā)現(xiàn)不是偽跡，必須做進一步的實驗。他們必須要能記錄到更多這樣的細(xì)胞，并且有不同的最優(yōu)朝向。到了第二年的一月份，他們已經(jīng)積累到了足夠多的數(shù)據(jù)，并確信真的發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象，于是他們寫了一篇摘要草稿，準(zhǔn)備投給1959年的國際生理學(xué)大會，當(dāng)然這要先送給庫夫勒審閱一下。第二天當(dāng)休伯爾走進實驗室的時候，維澤爾一臉懊喪，并且告訴他：“我想斯蒂夫不大喜歡我們的摘要?！焙苊黠@，庫夫勒對這篇摘要并不滿意，他在稿子上所加的評論和建議比正文還多！庫夫勒喜歡文章簡明扼要，而最恨浮夸。在一開始的時候，寫作對隨便什么人來說都不會是一件容易的事。但不管怎么說，他們的第一篇論文在經(jīng)過11次修改以后，終于在1959年為《生理學(xué)雜志》(Journal of Physiology)所接受。雜志主編William Rushton在接受函的一開始寫道“祝賀你們寫了一篇出色的論文”，并且沒有提出什么修改意見。正是這一劃時代的發(fā)現(xiàn)奠定了他們?nèi)蘸髽s獲諾貝爾獎的基礎(chǔ)。

視覺功能柱的發(fā)現(xiàn)

休伯爾和維澤爾還發(fā)現(xiàn)在初級視皮層的一塊1 mm×1 mm的小塊里的所有神經(jīng)細(xì)胞的感受野都集中在視覺空間的某個區(qū)域里，并且它們相鄰細(xì)胞的最優(yōu)朝向在0°～180°的范圍內(nèi)連續(xù)地做有規(guī)則的變化。有趣的是，在厚度為2 mm的垂直范圍內(nèi)每個細(xì)胞的最優(yōu)朝向都是一樣的，他們稱之為朝向功能柱。另外，初級視皮層里的細(xì)胞有的對來自左眼的刺激反應(yīng)猛烈，有的則對來自右眼的刺激反應(yīng)猛烈。它們各自靠近成群，并且在厚度為2 mm的垂直范圍內(nèi)每個細(xì)胞的主宰眼也完全一樣。他們還發(fā)現(xiàn)左眼主宰還是右眼主宰的細(xì)胞群也是交替排列的，組成了他們所謂的眼優(yōu)勢功能柱(圖2)。

休伯爾和維澤爾發(fā)現(xiàn)初級視皮層的功能柱結(jié)構(gòu)以后，在相當(dāng)長的一段時間里，人們沒有發(fā)現(xiàn)初級視皮層中還有些細(xì)胞對朝向不敏感，而對光刺激的其他特性(例如光的波長)敏感。這可能是由于用傳統(tǒng)的染色方法顯示出來的初級視皮層的細(xì)胞構(gòu)筑顯得相當(dāng)均勻一致，人們也就容易想當(dāng)然地認(rèn)為其功能也就應(yīng)該均勻一致。一直到20世紀(jì)80年代初休伯爾和利文斯頓(Livingstone)才發(fā)現(xiàn)在初級視皮層的功能柱中還有些小的斑塊，其中的細(xì)胞對朝向不敏感而對一定波長的光敏感。休伯爾后來連自己都覺得奇怪，為什么他沒有早一點發(fā)現(xiàn)這一點，盡管在他記錄的大量細(xì)胞中，他確實也觀察到有對朝向不敏感的。

圖2 初級視皮層中的功能柱結(jié)構(gòu)。上圖：當(dāng)記錄電極的位置沿著皮層表面的方向一點點逐漸移動時，所記錄到的細(xì)胞的最優(yōu)朝向也一點點地改變；下圖：朝向功能柱加上眼優(yōu)勢功能柱一起構(gòu)成了皮層模塊。圖中白條的朝向表示相應(yīng)細(xì)胞的最優(yōu)朝向，藍(lán)色圓斑中的細(xì)胞并沒有朝向選擇性，只在皮層的Ⅲ、Ⅳ兩層中才有，后來才發(fā)現(xiàn)它們對刺激光的波長敏感

視皮層可塑性的發(fā)現(xiàn)和單眼視覺剝奪

眼優(yōu)勢柱的發(fā)現(xiàn)使他們想知道這種組織是怎樣形成的，視覺經(jīng)驗在其形成中是否必要的問題。由于他們兩人都有醫(yī)學(xué)背景，他們知道先天性白內(nèi)障幼兒即使在三四歲時去除白內(nèi)障依然不能完全恢復(fù)正常視覺。因此他們決定開展視覺剝奪對視皮層發(fā)育影響的研究，這無論對治療先天性白內(nèi)障幼兒和認(rèn)識神經(jīng)可塑性都有重要意義。在怎樣進行實驗的問題上，維澤爾回憶說他們站在大廳里討論，他建議把小貓從出生起就放在暗室里養(yǎng)育，而休伯爾則認(rèn)為這樣做太麻煩了，何不把幼貓的一只眼瞼縫起來，而把另一只眼睛留作對照。后來休伯爾說他已經(jīng)完全記不起這回事了。這在他們25年密切無間的合作中并非例外。正如休伯爾在多年后就他們的合作所說的那樣：

我們不大記得，也從不討論我們的想法是打哪兒來的：多半是在我們沒完沒了的實驗中經(jīng)常的討論中產(chǎn)生的，有的想法是我們中間的某個人提了個頭但是后來常常就給忘了，而在幾個月之后另一個人又重新提了出來[2]。

確實，像他們兩位那樣各方面都旗鼓相當(dāng)?shù)闹Z獎得主在一個課題組里合作25年那樣的例子在科學(xué)史上是不多的。這樣他們對出生后日子不同的幼貓或猴進行單眼眼瞼縫合不同的時間，發(fā)現(xiàn)雖然初生動物有正常的功能柱，但是如果將剛出生幾周的幼猴的一只眼瞼縫合若干天后，其視皮層就發(fā)生了顯著的變化，對縫合眼能產(chǎn)生反應(yīng)的細(xì)胞大為減少，而睜眼則占據(jù)了閉眼原來所占據(jù)的皮層區(qū)域。隨著年齡的增大，單眼視覺剝奪對動物的影響逐漸減小。這就從腦機制上解釋了原來臨床上所觀察到的行為變化。

探索之路

2013年一代巨星隕落。限于篇幅，上文僅介紹了他一生中的某些片段和貢獻，但他對科學(xué)的貢獻和熱愛將永遠(yuǎn)鼓舞后人在科學(xué)的道路上奮勇前進。作為總結(jié)，也許可以說，他是一位永不疲倦的探索者，誠如他在自己的自傳中所言：

我們從事的科學(xué)研究看上去不大像中學(xué)里教給我們的那種科學(xué)：科學(xué)就是一些定律、假設(shè)、實驗證實、推廣等等。我們感到我們就像15世紀(jì)的探險家那樣，就像哥倫布揚帆往西只是為了發(fā)現(xiàn)他有可能發(fā)現(xiàn)些什么。如果說我們有什么“假設(shè)”的話，那也只是有關(guān)腦、特別是皮層的一種質(zhì)樸的想法：有著種種有序復(fù)雜性的腦接收到輸入的信息必須做出某些在生物學(xué)上有意義的處理，其輸出一定要比輸入更精巧。因此我們記錄細(xì)胞是要看我們能夠發(fā)現(xiàn)些什么。我猜想科學(xué)中的許多領(lǐng)域，尤其是生物科學(xué)基本上就是這種意義下的探索。那些認(rèn)為“科學(xué)就是測量”的人應(yīng)該看看達(dá)爾文的著作里面有沒有什么數(shù)字或者方程[4]。

(2016年2月25日收稿)■

[1] RAMACHANDRAN V S, BLAKESLEE S. Phantoms in the brain: Probing the mysteries of the human mind [M]. New York：William Morrow and Company, 1998.

[2] HUBEL D, WIESEL T. Brain and visual perception: The story of a 25-year collaboration [M]. [S. l.]: Oxford University Press, 2004.

[3] HUBEL D. Evolution of ideas on the primary visual cortex, 1955-1978: A biased historical account [EB/OL]. Nobel lecture, 8 December 1981 [2016-02-25]. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/ medicine/laureates/1981/hubel-lecture. pdf

[4] HUBEL D. David H. Hubel [M]// SQUIRE L R (ed). The History of Neuroscience in Autobiography, Vol. 1. Society for neuroscience. [S. l.]: Oxford University Press, 1996: 294-317.

(編輯：沈美芳)

The father of modern visual science — David Hubel

GU Fanji

School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai 200433, China

A biography of American neuroscientist David Hubel, father of modern visual science, is presented in this article. His contribution to visual research and his approach of scholarship are also given.

David Hubel, visual cortex, orientation selectivity, visual functional column, neuroplasticity

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.04.011

?通信作者，E-mail: fjgu@fudan.edu.cn