再议诺奖得主休伯尔的发现另有玄机之谜？

------人眼新问〔11〕人眼电測用的电极要不要电磁屏蔽？

都世民(Du Shimin)

摘要：本文主要讨论生物学的初始信号电测量，引入电极存在的问题？这种做法有很久的历史，为什么没有研究人员提出疑问？直到2018年，笔者在业内专家谢天教授著作“探索大脑的终极秘密：学习、记忆、梦和意识”中，对人的视觉信息为什么要编码这个环节提出质疑？但没有对釆用电极法提出疑问，这是本文进一步讨论的问题。

关键词：哈佛大学，休伯尔（David Hubel），人眼电測，人工电极，电磁屏蔽。

一．引言

2017-1-12 ，顾凡及（复旦大学生命科学学院退休教授 ）在《自然杂志 》上发文：“伟大的发现没有偶然——现代视觉科学之父、诺奖得主休伯尔”。顾凡及教授对休伯尔的研究历史做了简要回顾，哈佛大学的休伯尔（David Hubel）和维泽尔（Torsten Weisel）极为细致地探索了视皮层的结构，他们的一系列研究最终获得了诺贝尔奖。从1960年到1980年这20年中，他们的研究所提供的有关视觉通路的知识要比以前200年研究所得的结果还多。因此，他们当之无愧地被认为是现代视觉科学之父。1981年，由于对视觉信息处理所做的开创性工作，休伯尔与其长期合作者、瑞典神经科学家维泽尔（Torsten Nils Wiesel）共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。

2019-9-7 ，笔者发表愽客“诺奖得主休伯尔的发现 另有玄机”，提出几个问题：

1）H u b e l和 Wiesel ( 1 9 6 2 )研究结果是不是现代视觉的开创者，如何界定现代视觉的概念？2）人眼的光源到底是什么？3）诺贝尔奖得主休伯尔（David Hunter Hubel)与维泽尔（Torsten Nils W i e s e l )的发现，如何用三位科学家的概念来解读？4）休伯尔发现初级视皮层朝向敏感细胞，发现朝向特异性即视觉功能柱。笔者发现有周期性。5）为什么最优方位大致以10°/50微米的变化率，是按顺时针或逆时针方向连续变化，为什么旋转方向会发生逆转？6）休伯尔发现视网膜上神经节细胞的感受野与外侧膝状体神经元上的感受野，为什么是一一对应的关系？7）视觉系统中是否有电磁波传输通道？

（http://blog.sciencenet.cn/blog-1339385-1196998.html ）
本文将继续讨论相关问题。

二．为什么视觉信息应该从眼球开始？

人眼眼球是球体，微小光学专家认为，人眼眼球是“水晶体”，是变折射率球形透镜。众所周知，人眼可以看見景物。自古以来人眼看成两大部分，以視网膜分界，視网膜朝外是屈光部分，是宏覌层面。视网膜向内肉眼是看不見的，属于微观层面。两者组合，在有光的情况下才能看见景物。生物学和医学中对眼球论述也有水晶体，但不是指玻璃体。其实眼球与R.K.Luneburg龙伯透镜有关联。

1944年，R.K.Luneburg[3]对科学家麦克斯韦“鱼眼透镜”作了进一步研究，提出了一种折射率对某点呈球对称的折射率分布模型。此后在中国的一些专著中有论述，笔者早年就注意到“龙伯”透镜天线。天线前輩清华大学前系主任扬弃疾教授就曾撰文讨论“鱼眼透镜”。中国百科网有他写的词条。

在天线专著中有专门介绍：钟顺时编，“天线理论与技术”一书中有一节“变折射率透镜天线”。

在John D. Kraus, Ronald l Marhea: Antennas一书中也有论述。17-10 Luneburg and Einstein Lenses，p.632。这本著作的一节是”Luneburg and Einstein lenses”。

The Luneburg lens  is a spherically symmetric delay-type lens formed of a dielectric with index of refraction n(r) which varies as a function of radius,as given by

n(r)=[2-(r/R)²]^1/2

Where

r = radial distance from center of sphere,

R = radius of sphere. index of refraction n .

When r = R, n = 1  while at the center of the sphere (r = O),n = √2= (its maximum value).

折射率n是由材料的介电常数ε和磁导率μ决定，对于非磁性材料，μ=1，可以认为n = √ε。

生物医学将視网膜归于眼球来介绍。如果单纯解释人眼成像，早先将视网膜看成胶卷底片，有人用明矾显影，认为鼠眼看見的窗户显影在视网膜上。可是今天数码相机拍摄时，无需底片，又该如何解释呢？其实人眼不是相机！又会是什么呢？可是人眼不仅能成像，还可以扫描、跟踪、分辨和识别。还有意识和思维等一系列问题。能实现扫描、跟踪、分辨和识别功能需借助电子学中的天线概念。笔者思考，现在天线领域的“鱼眼透镜”的研制热点，实际上是跨学科研究人眼。当然研究者目的不一定如此。

（http://z.bianke.cnki.net/collection/2035310）
休伯尔对猫眼的测试，是用光点和光栅作为光源，电极是靠近猫眼的神经节细胞，是在这种情况下进行的电气测量。众所周知，人眼是平行光束投射到眼球，也就是投射到球形变折射率透镜，聚焦到视网膜上，在视网膜上的每一点是等相位，这是感光细胞群体能够同步工作的前提。如果将眼球看成为双凸透镜聚焦，只能聚焦于某一点，也就是说感光细胞的群体不可能同步工作，这是人眼工作机理很重要的问题。休伯尔对猫眼的测试与这个前提条件完全不同，因此测试的结果，与人眼是否吻合就是一个大问题，需要重新审视。

三．电极与细胞真的连接上了吗？

休伯尔对猫眼的测试存在的第2个问题是，电极与细胞靠近，能够表明他们真的连接了吗？怎样确定这一个问题？如果他们没有连接，那么电极测得的杂波是从哪里来的？另外，休伯尔对猫眼的测试引入了单个电极，如今的研究者却引入多个电极，然而电极的引入会干扰人眼内部的电磁场，肉眼不可见，如何解决这个问题？众所周知，人眼工作的时候，是有光的存在，光就是电磁波，那么电磁波对电极有没有影响呢？肯定是有影响的，电极的引入，同样也会产生感应电流再辐射，又会影响原始的电磁场，这是两个相关的问题。

四．人工电极到底接收到什么信号？

如果人工电极与感光的细胞没有连接，这电极上会不会有信号产生？这个问题在天线和电磁场的领域内，早有答案，无论是金属或者是非金属，在交变电磁场内会产生感应电流，而且会产生二次辐射。也就是说人工电极接入神经回路以后，产生的这些感应电流也就在神经回路内，能否用什么办法可以消除这些感应电流呢？如果能够消除这些感应电流，人工电极还能够得出相同信号波形吗？会得出什么样的结果呢？

五．如何屏蔽人工电极？［5-7］

电磁屏蔽基本原理是采用低电阻值的导体材料，利用电磁波在屏蔽导体表面的反射、在导体内部的吸收及传输过程的损耗而产生屏蔽作用，通常用屏蔽效能（SE）表示。用不存在屏蔽时，空间防护区的场强（E1或H1）与存在屏蔽时该区的场强（E2或H2）的比值来度量，单位是dB。定义为：

Se=20log（E1/E2） （1）

Se=20log（H1/H2） （2）

Se=10log（P₁ /P ₂） （3）

式中，E1，E2 为屏蔽前、后的电场强度；H1，H2 为屏蔽前、后的磁场强度；P₁ ，P ₂为屏蔽前、后的能量强度。影响屏蔽效能Se的因素很多，主要是电磁场的频率及材料电磁参数。

要想消除人工电极上的感应电流，能否运用电磁屏蔽的方法？将交变电磁场与人工电极及其引线隔离，这个问题在电磁兼容学科〔EMC〕，有专门的研究。

文［5］对超材料和碳材料进行了相关讨论，要求这类材料在超宽频率范围内，低反射、高吸收率、超薄、超轻，尽管已经取得一些进展，但在多孔材料降低密度的情况下，研制薄膜型材料仍然存在难度。

文［6］对高分子材料、碳材料、半导体材料、金属薄膜进行了讨论，並且对太赫兹波段吸收性能的研究进展进行了综述，对其发展提出展望。

休伯尔对猫眼的测试所使用的人工电极，是由金属材料制成，外边包有非金属材料，这样做是不是就表示电磁屏蔽了呢？答案是否定的。屏蔽与电磁频谱有关，也就是说人眼在工作频段内，由工作频段选定电磁屏蔽的方法，并且经过各种电磁屏蔽室进行检验，根据感光细胞尺寸，是在μm量级？对应的工作频率范围是太赫兹频段。

太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。

文［7］对宽频段高吸收率太赫兹辐射计的特性进行表征,研究了吸收涂层材料的特性;在太赫兹波段对常见的吸波材料的吸收率进行仿真,探寻在太赫兹波段具有高吸收率的材料;将碳化硅与3M黑漆进行混合,以进一步提高涂层的吸收率。

综上所述，对于太赫兹波段的电磁屏蔽问题，并没有得到很好的解决，仍有很多的工作需要继续探索。

参考文献

[1]顾凡及，伟大的发现没有偶然——现代视觉科学之父、诺奖得主休伯尔，来源：《自然杂志，017-1-12   。

（http://www.medsci.cn/article/show_article.do?id=f31f8e393a0）

[2] 谢平，探索大脑的终极秘密：学习、记忆、梦和意识，科学出版社,2018. 1 。

[3]钟顺时编，天线理论与技术，電子工业出版社，2011年，p439。书中有一节“变折射率透镜天线”.

[4]John D. Kraus, Ronald l Marhea: Antennas: For All Applications, Third Edition .Copyright@ 2003 by The McGraw-Hill Companies,Inc.Originallanguage published by The McGraw-Hill Companies,Inc. All rights reserved. No part of this publicationLy be reproduced or distributed in any means, or stored in a database or retrieval system, without the prior written permission of the publisher.

[5]黄智宇，太赫兹隐身及屏蔽材料研究进展，道客巴巴，2019-06-29。高等学校化学学报，［J］，Vol. 40，No. 6。https://www.doc88.com/p-4931662132850.html。

[6]韩建龙，材料在太赫兹波段吸收性能的研究进展，来自 知网，2013年 。

https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=5d20ea5a5978b83fd3a28e107878c5bd&site=xueshu_se。

[7]方波，戚岑科，邓玉强...，“宽频段太赫兹辐射计高吸收率涂层的特性”，来自：知网，2019.

https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=1u3k0xk0fg390mq0yb020gx0y8289642&site=xueshu_se。