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探索脑的奥秘:大卫•休伯尔

已有 722 次阅读 2020-2-27 08:33 |个人分类:博士培养|系统分类:人物纪事


      过一段,哈佛大学医学院神经生物学系将举办为期一天的诺贝尔奖获得者大卫•休伯尔(David H. Hubel,1926.02.27――2013.09.22)的专题纪念研讨会《眼、脑与视觉:休伯尔的科学贡献与学术生涯》(注:借用休伯尔1995年出版的著作书名《眼、脑与视觉》),神经生物学的重镇――洛克菲勒大学、斯坦福大学、西北大学、剑桥大学、旧金山加州大学、马萨诸塞大学、哈佛大学、苹果公司、美国国立卫生研究院眼科研究所的多位科学家、医生、工程师将做学术报告,缅怀在哈佛大学神经生物学系里成长的阶段做出获诺贝尔奖的工作并把哈佛神经生物学系推向“外界庆贺的顶峰”(饶毅)最辉煌的、最突出的神经生物学家。

       1926年.休伯尔生于加拿大安大略省的温莎市,父母亲是从美国移居加拿大的,而祖父辈则是从德国巴伐利亚讷德林根来的移民。1947年,在加拿大蒙特利尔省的麦基尔大学(McGill College)获得理学学士学位,主修数学与物理。1951年,获得麦基尔大学医学院医学博士学位(MD)。毕业后,休伯尔一直在蒙特利尔神经研究所(MNI)从事研究工作,具体指导他的是著名脑电图学家贾思铂。

        1954年,28岁的休伯尔结婚。婚后,休伯尔前往美国发展,成为霍普金斯大学医学院的神经内科住院医生。随后应征入伍,进入美国沃尔特•里德(Walter Reed)陆军研究所工作。1958年,休伯尔回到霍普金斯大学医学院生理系,原本是要加入生理系主任芒卡斯尔(Mountcastle)实验室继续做他的视觉研究,当时生理系正在装修,需要几个月时间,医学院眼科研究所的库夫勒(Steve Kuffler, 1913-1980)建议休伯尔去他的实验室和托斯坦•韦塞尔(Torsten Nils Wiesel,1924.06.03――)合作,继续休伯尔已经开始的大脑视觉中枢神经的研究,三个人在用餐时讨论30分钟形成的研究计划,约定休伯尔和韦塞尔合作9个月,后来演变成两人长达25年的合作。

       1959年,哈佛大学医学院药理系主任邀请库夫勒去哈佛任教,库夫勒把全实验室同事与研究生一起移师哈佛大学医学院,并将带来的助理教授变成博士后,休伯尔和韦塞尔正式成为库夫勒的博士后。后来成为哈佛大学医学院神经生物学系创系主任,库夫勒研究兴趣广泛,最重要的科学贡献是1953年记录视网膜对光反应,发现视网膜内部对于光的信息已经进行处理。休伯尔和韦塞尔的研究策略是把库夫勒50年代早期猫视网膜的工作扩展到大脑皮层。

       在1959年的一次实验中,休伯尔发现不同的神经元对不同空间方位的偏好不尽相同,还有些神经元对亮光带和暗光带的反应模式也不相同。休伯尔将这种神经元称为简单细胞。初级视皮层里另外的那些神经元,叫做复杂细胞,这些细胞对于其感受野中的边界信息比较敏感,还可以检测其感受野中的运动信息。这些研究给人们展示了视觉系统是怎样将简单的视觉特征在视皮层呈现出来的。

      休伯尔和韦塞尔做了一系列在视觉发育领域异常重要的实验:猫的视剥夺实验与斜视实验。通过这些研究,两位神经科学家发现,在大脑中一个叫做“纹状皮层”的区域里,不同神经细胞会分别对双眼接收的视觉信号产生反应。为了研究视觉经历在发育过程中的作用,他们选取出生不久的小猫,将它一只眼睛的眼睑缝合起来,又在数周之后拆开手术 线。结果发现,与从未被缝合过的眼睛相比,重见光明的眼睛接收到光信号的时候,只有寥寥无几的纹状皮层细胞作出了响应。换言之,那只被缝合过的眼睛在早期没有接受足够的视觉刺激,所以丧失了对向大脑中的视觉信号处理中心高效传递信息的能力。 后来,休伯尔和韦塞尔在小猫发育的不同时间段重复了这一实验。他们发现,如果在小猫出生后4-8周之间进行缝合,两眼之间的差别最为显著。而一旦过了这一时期,缝合的作用就大大降低。而对于成年猫来说,哪怕将它的眼睛缝上一年,也没有什么明显效果。他们就此提出“关键期”(critical period)的概念。后来的科学研究证实,这种对外界刺激或早期经验格外敏感的关键时期在神经发育中比比皆是,视觉、听觉、语言习得以及运动技能中都有类似的现象。休伯尔和韦塞尔长达25年的合作研究,贡献了神经生物学教科书视觉部分近一半的内容。由于休伯尔和韦塞尔对视觉系统的信息处理过程的研究,和研究左右脑半球的罗杰•斯佩里(Roger W. Sperry)共同分享了1981年诺贝尔生理学或医学奖。

        休伯尔和韦塞尔的研究的重要贡献在于他们阐明视皮层细胞解释视网膜的编码脉冲信息的能力,是在孩子出世后直接发育形成的,这种发育的一个先决条件是必须使眼睛受到视觉刺激,在这一期间如果一只眼睛只要闭上几天,视皮层里将发生永久性的功能变化。这项研究为我们了解和治疗幼儿白内障和斜视打开了大门,对于大脑皮层的神经元可塑性的研究也非常重要。 

      休伯尔和韦塞尔在库夫勒的影响下研究猫、猴大脑皮层视觉功能,研究了知觉过程中神经元活动的表现,也就是大脑内部代理的表现,把感觉生理的研究引导到认知神经科学的知觉领域。从库夫勒的跟随者变成视觉系统中视觉信息处理研究的领路者,休伯尔经过了十分艰苦的努力,做到三个“静心”。 一是静心多读书,不断拓展自己的知识面从而实现学科交叉;二是静心多积累,抓住学术问题上瞬间的灵感和火花,使自己的知识不断升华从而达到融会贯通;三是静心多实验,使自己保持对科学的直觉和解决难题的能力。

     从休伯尔在科研道路上探索的经历,我们也可以体悟到科学研究中诱人而神奇的魅力。2006年,休伯尔在受聘为北京师范大学荣誉教授的聘任仪式上演讲中,以自己在加拿大麦基尔大学的本科教育与医学教育,以及先后到美国的霍普金斯大学、哈佛大学的研究经历,强调求学游历的重要:在不同的地方做研究和学习,利于开阔视野、增长见识。求学游历最重要的是你和什么人待在一起。

      你的本科到博士前学习阶段是主要在遗传学的学科领域,分别在加拿大多伦多大学分子遗传学系和霍普金斯大学医学院医学遗传研究所接受教育和训练;成为博士候选人后进入神经科学研究领域,分别在霍普金斯大学医学院神经科学系和哈佛大学医学院神经生物学系从事研究,在北美的两国三地,你与那些痴迷科学研究、殉道般的教授们,与那些热爱科学、准备献身科学的本科生和研究生们相互交往、接触、合作,潜移默化地互相熏染,这太重要了;与这些人聚集在一起从事科学研究,也是“三生有幸”!要在这样的科学氛围里领悟到一些“以不变应万变”(例如,科学精神、科学方法)的东西,这就是科学教养!除此之外,别的都不重要。

      此次专题纪念研讨会《眼、脑与视觉》的主要内容。虽然与你的研究兴趣(神经退行信号传导研究)距离较远,你还是应该暂时放下手中的实验,不妨认真地去听一听。从科学研究的角度,很多年轻的博士研究生有些不太恰当的认识,认为听学术报告要和自己的研究方向相关才感兴趣,这是非常要不得的,如果只关心自己的研究方向,你的视界会越来越小,你的思维会越来越僵化,科学研究是做不好的。尤其是神经科学,本身就是关于脑的综合性的交叉学科,因此必须更要涉猎广一些。其实所有的学科是相通的,听了很多学术报告,如果能悟到一点思路、一点方法,就已经很有收获了。             




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1 张焱

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