【原】诺奖得主休伯尔的发现 另有玄机

诺奖得主休伯尔的发现 另有玄机

Nobel Prize winner huber's discovery had other implications

-----现代视觉之谜

都世民（Du Shimin）

摘要：本文对1 9 8 1年诺贝尔生理学或医学奖得主休伯尔（David Hunter Hubel)与维泽尔（Torsten Nils W i e s e l )，首次用微电极研究外侧膝状体和视皮层神经细胞感受野，并提出视觉信息是通过三条独立的通道进行加工的试验研究。顾凡及教授认为這是开创现代视觉。什么是现代视觉？首先，阐述中国科学院大学谢平教授著作中提出的问题，然后讨论有关问题。

关键词：休伯尔，现代视觉，谢平，顾凡及，猫眼

Abstract: in this paper, David Hunter Hubel and Torsten Nils Wiesel, winners of the 1981 Nobel Prize in physiology or medicine, studied the sensory field of lateral geniculate and visual cortex nerve cells with microelectrodes for the first time, and proposed that visual information was processed through three independent channels.Professor gu sees this as pioneering modern vision.What is modern vision?Firstly, this paper expounds the issues raised in the works of professor xie ping of the university of Chinese academy of sciences, and then discusses the related issues.

一．引言

2017-1-12，中国《自然杂志》刊文：“伟大的发现没有偶然——现代视觉科学之父、诺奖得主休伯尔”， 作者：上海复旦生命科学学院退休教授顾凡及。

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

2018年 1 月，中国科学院大学谢平教授在科学出版社出版“探索大脑的终极秘密：学习、记忆、梦和意识”一书。在这本书上，作者介绍了：美国哈佛大学的两位神经生物学家— 美裔加拿大人休伯尔 （David Hunter Hubel)与瑞典人维泽尔（Torsten Nils W i e s e l )，自 1 9 5 8年开始，对视觉机制进行了长达2 5年的合作研究，共同获得了 1 9 8 1年诺贝尔生理学或医学奖。他们首次用微电极的方法，研究了外侧膝状体和视皮层神经细胞感受野， 并提出视觉信息是通过三条独立的通道进行加工的。

他们以不同的方式阐述了休伯尔的工作。

休伯尔的猫眼实验研究

1）休伯尔的猫眼实验研究的具体做法如下： 

·先将动物（猫 ）麻醉，将头固定于立体定向头架中；

·再将一个细金属电极植入到视皮层（visual cortex)中，尽量靠近（不损伤细胞膜）单个神经细胞或纤维；

·检测由神经冲动产生的电流；

·将猫面向几米外的屏幕，使用幻灯机在屏幕上投射与背景不同几何性质的图形（如线条等）。

利用这样的装置来研究动物神经细胞对不同类型光刺激的反应（电信号）。

2）实验研究的主要结果如下：

·视皮层中的神经细胞对光点或大面积弥散光刺激无反应。对一定朝向（或方位) 的亮暗对比边、光棒或暗棒反应强烈（产生电信号）；偏离该细胞“偏爱”的最优方位，细胞反应停止或骤减；

·绝大多数视皮层细胞都具有强烈的方位选择性，各个细胞的感受野位置连续地发生漂移；

·最优方位大致以10°/50微米的变化率按顺时针或逆时针方向连续变化，有时在旋转 90°〜270°以后，旋转方向发生逆转；

·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是一一对应的，两种神经元对光点照射均呈现中心与周边相互拮抗式的响应模式（同心圆状的感受野)；

·视皮层神经元的感受野对应视网膜上的一个更大的区域，因为它是由若干个外侧膝状体细胞的感受野共同汇聚到一个视皮层细胞的感受野上的；

·简单细胞的感受野再汇聚成复杂细胞的感受野，后者再进一步汇聚成超复杂细胞的感受野。

业内专家谢平教授质疑

· H u b e l和 Wiesel ( 1 9 6 2 )结果的真实性毋庸置疑。但不能排除它被错误地解读为视觉信息需要重新编码的可能性，因为在视路中神经细胞感受野的变化并不一定就意味着视觉信息进行了编码。我们每个人瞬间就能够认出的图形还需要被编码吗？人们也未发现视觉信息被编码的任何可靠证据。

·感受野充其量只是一种电生理响应（发放 )，只能反映神经活动的一个有限的侧面。即便在感觉过程中存在神经元产生电活动现象，也难以认定像视觉这样的感觉信息都被编码成电信号。视觉信息并不像人们想象的那样，都转变成了电信号。

·对视觉机制，并未见到革命性进展，虽然人们添加了若干新的视觉通道，并还在继续挖掘中，但对视觉信息在这些通道中的具体传输机制依然是一无所知。

这种看法与顾凡及教授的看法不同，顾凡及教授认为休伯尔是现代视觉科学之父，是开创性的。

·有人将视觉场景的加工分为三个层次：高、中、低三个层次水平。

·为了传输电信号，我们的大脑视觉皮层为何要演化出那么复杂的特征分离的功能超柱呢？

谢平教授强烈怀疑大脑对视觉信息的处理需要编码与解码的观点。

顾凡及教授的文章强调休伯尔的贡献，没有提出疑问：

·用外面包有绝缘层的细金属丝电极插到猫脑内记录单细胞活动，是有贡献的；

·比较猫在清醒和睡眠时，视皮层的自发活动和对光刺激的反应”；

·发现初级视皮层朝向敏感细胞，发现朝向特异性；

·发现视觉朝向功能柱。还发现初级视皮层的功能柱中还有些小的斑块，其细胞对朝向不敏感，而对一定波长的光敏感。

·发现左眼主宰还是右眼主宰的细胞群也是交替排列的，组成了他们所谓的“眼优势功能柱”。

·发现视皮层可塑性和单眼视觉剥夺。

顾凡及教授的文章最后指出：生物科学基本上就是这种意义下的探索。那些认为“科学就是测量”的人，应该看看达尔文的着作里面有没有什么数字或者方程。

思考与讨论

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？现代视觉与传统视觉区别在哪里？传统视觉是不是照相机的原理？楊雄里院士在中国百科网编写的“视觉”词条是不是现代视觉概念？为什么没有提出现代视觉概念？

2）人眼里的光到底是什么？

1704年，牛顿发表《光学》一书。对人眼曾提出的三个与颜色和色觉有关的问题。科学家牛顿是基于光的粒子概念。1854 年，麦克斯韦(J.C.Maxwell) 研究了非均匀介质的光学性能，从理论上论证了一种对某点呈球对称的折射率分布函数，并指出在这种介质空间区域中的每一点，都能无像差地锐成像在其共轭点，这就是著名的麦克斯韦“鱼眼透镜”。科学家麦克斯韦认为光是电磁波。科学家爱因斯坦提出量子概念。郭光灿院士在《科学世界》上一篇文章“光究竟是什么？”，讨论了光属性的争论。还用量子概念解释3米以远能看见烛光吗？最近南京大学固体微结构物理国家重点实验室，开发了延迟选择实验的量子版本，即单个光子的粒子态和波动态处于相干叠加态。实现波—粒叠加状态的关键是通过其他光子的量子态，控制光子在粒子态和波动态之间的转换。

（http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/9/430144.shtm）

在人的眼睛里，怎样理解这种转换？实际上这涉及三位科学家三种说法的统一。笔者认为三位科学家的说法是不同的，目前仍然不能统一，笔者不解！

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？

休伯尔发现初级视皮层朝向敏感细胞，是因为插到缝里玻璃片的边缘在视网膜上投下了一条阴影，这一条暗直线刺激了细胞的感受野，引起这个细胞发放所需要的刺激。顾凡及教授认为：如果只用小光点研究视觉皮层细胞的特性，即光的粒子反应来研究的话，就会以为插玻璃片时视觉皮层细胞的猛烈发放只是一个偶然事件，休伯尔不可能获得巨大成功！

上面所说的，如果不是光点又是什么？这玻璃片的边缘产生的暗条，在光学上发生了什么变化？用几何绕射理论的概念分析的话，它会产生散射波。为什么牛顿的三棱镜？把光变成了七色光，有人说这是分光实验，从粒子的角度光可以分，从电磁波的角度，没法分。那又怎么变成了七色光呢？七种波长，分光的说法不确切！

4）休伯尔发现初级视皮层朝向敏感细胞，发现朝向特异性，发现视觉功能柱。笔者发现图2朝向性白色的线条是周期性的。为什么视皮层中的神经细胞对光点或大面积弥散光刺激无反应？这是因为光的粒子性，没有光的偏振效应，只有在波动的时候，电场的方向与电极的方向平行时，电极上才会有最强的感应电流产生，才会有着明显的朝向特性。

5）为什么最优方位大致以10°/50微米的变化率按顺时针或逆时针方向连续变化，有时在旋转 90°〜270°以后，旋转方向发生逆转？这个原因在于，视网膜上的感光细胞与水平细胞经过双级细胞以后，矢量叠加形成的结果。如果在直角坐标系中，绘出这合成矢量的变化，就可以证明这一结果。

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是一一对应的，两种神经元对光点照射均呈现中心与周边相互拮抗式的响应模式（同心圆状的感受野)。为什么会出现这种状况？到目前为止，对视网膜上的细胞的组成，没有人进行细致的研究，因为1.3亿的细胞，要绘出它们的连接图很困难，笔者理解这些连接图如同超大型阵列天线的馈电网络，是很复杂的。阵列天线的单元，就是感光细胞。感受野对应神经控制网络的区域。感光细胞是同心圆状分布。

上述这些结果都表明了视觉系统中有电磁波传输通道，美国国防部提出的“国防生物与医学领域科技发展报告”(2017)/世界国防科技年度发展报告。美国国防高级研究计划局（DARPA）启动的RadioBio研究项目，探索细胞内和细胞之间是否存在电磁传输和接收。还明确指出，要进一步研究细胞之间的联络网络。是否已经意识到上述问题，有待观察。

7）如果证明视觉系统里有电磁波传输通道，那么谢平教授的问题，也就可以得到解决。编码的说法不能成立，休伯尔的发现隐藏了视觉系统存在着电磁波通道，如果证明电磁波通道存在，休伯尔的电极实验存在不合理性，因为在电磁场内，放置电极会干扰眼内电磁场，也就是说，研究视觉系统通道应该用细胞进行，而不是电极。

8）视觉机制若有革命性进展，关键在于操控细胞单体和群体，证明电磁波传输通道的存在。用麦克斯韦电磁波理论来解决，才是最有希望的。1.3亿感光细胞的同步，也是由于电磁波能量的驱动机制。

总之，在学术界，专家学者们已经意识到人眼睛的结构和运行机理需要以新的思维去研究，对传统的说法需要进行必要的补充和修正，也只有这样才能够解决近视眼流行病，才有可能让盲人复明。