諾獎得主休伯爾的發(fā)現(xiàn) 另有玄機(jī)
Nobel Prize winner huber's discovery had other implications
-----現(xiàn)代視覺之謎
都世民（Du Shimin）
摘要：本文對1 9 8 1年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主休伯爾（David Hunter Hubel)與維澤爾（Torsten Nils W i e s e l )，首次用微電極研究外側(cè)膝狀體和視皮層神經(jīng)細(xì)胞感受野，并提出視覺信息是通過三條獨立的通道進(jìn)行加工的試驗研究。顧凡及教授認(rèn)為這是開創(chuàng)現(xiàn)代視覺。什么是現(xiàn)代視覺？首先，闡述中國科學(xué)院大學(xué)謝平教授著作中提出的問題，然后討論有關(guān)問題。
關(guān)鍵詞：休伯爾，現(xiàn)代視覺，謝平，顧凡及，貓眼
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，中國《自然雜志》刊文：“偉大的發(fā)現(xiàn)沒有偶然——現(xiàn)代視覺科學(xué)之父、諾獎得主休伯爾”， 作者：上海復(fù)旦生命科學(xué)學(xué)院退休教授顧凡及。
（http://www.medsci.cn/article/show_article.do?id=f31f8e393a0）
2018年 1 月，中國科學(xué)院大學(xué)謝平教授在科學(xué)出版社出版“探索大腦的終極秘密：學(xué)習(xí)、記憶、夢和意識”一書。在這本書上，作者介紹了：美國哈佛大學(xué)的兩位神經(jīng)生物學(xué)家— 美裔加拿大人休伯爾 （David Hunter Hubel)與瑞典人維澤爾（Torsten Nils W i e s e l )，自 1 9 5 8年開始，對視覺機(jī)制進(jìn)行了長達(dá)2 5年的合作研究，共同獲得了 1 9 8 1年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。他們首次用微電極的方法，研究了外側(cè)膝狀體和視皮層神經(jīng)細(xì)胞感受野， 并提出視覺信息是通過三條獨立的通道進(jìn)行加工的。
他們以不同的方式闡述了休伯爾的工作。
休伯爾的貓眼實驗研究
1）休伯爾的貓眼實驗研究的具體做法如下：
·先將動物（貓 ）麻醉，將頭固定于立體定向頭架中；
·再將一個細(xì)金屬電極植入到視皮層（visual cortex)中，盡量靠近（不損傷細(xì)胞膜）單個神經(jīng)細(xì)胞或纖維；
·檢測由神經(jīng)沖動產(chǎn)生的電流；
·將貓面向幾米外的屏幕，使用幻燈機(jī)在屏幕上投射與背景不同幾何性質(zhì)的圖形（如線條等）。
利用這樣的裝置來研究動物神經(jīng)細(xì)胞對不同類型光刺激的反應(yīng)（電信號）。
2）實驗研究的主要結(jié)果如下：
·視皮層中的神經(jīng)細(xì)胞對光點或大面積彌散光刺激無反應(yīng)。對一定朝向（或方位) 的亮暗對比邊、光棒或暗棒反應(yīng)強(qiáng)烈（產(chǎn)生電信號）；偏離該細(xì)胞“偏愛”的最優(yōu)方位，細(xì)胞反應(yīng)停止或驟減；
·絕大多數(shù)視皮層細(xì)胞都具有強(qiáng)烈的方位選擇性，各個細(xì)胞的感受野位置連續(xù)地發(fā)生漂移；
·最優(yōu)方位大致以10°/50微米的變化率按順時針或逆時針方向連續(xù)變化，有時在旋轉(zhuǎn) 90°?270°以后，旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)；
·發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜上神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的感受野與外側(cè)膝狀體神經(jīng)元上的感受野是一一對應(yīng)的，兩種神經(jīng)元對光點照射均呈現(xiàn)中心與周邊相互拮抗式的響應(yīng)模式（同心圓狀的感受野)；
·視皮層神經(jīng)元的感受野對應(yīng)視網(wǎng)膜上的一個更大的區(qū)域，因為它是由若干個外側(cè)膝狀體細(xì)胞的感受野共同匯聚到一個視皮層細(xì)胞的感受野上的；
·簡單細(xì)胞的感受野再匯聚成復(fù)雜細(xì)胞的感受野，后者再進(jìn)一步匯聚成超復(fù)雜細(xì)胞的感受野。
業(yè)內(nèi)專家謝平教授質(zhì)疑
· H u b e l和 Wiesel ( 1 9 6 2 )結(jié)果的真實性毋庸置疑。但不能排除它被錯誤地解讀為視覺信息需要重新編碼的可能性，因為在視路中神經(jīng)細(xì)胞感受野的變化并不一定就意味著視覺信息進(jìn)行了編碼。我們每個人瞬間就能夠認(rèn)出的圖形還需要被編碼嗎？人們也未發(fā)現(xiàn)視覺信息被編碼的任何可靠證據(jù)。
·感受野充其量只是一種電生理響應(yīng)（發(fā)放 )，只能反映神經(jīng)活動的一個有限的側(cè)面。即便在感覺過程中存在神經(jīng)元產(chǎn)生電活動現(xiàn)象，也難以認(rèn)定像視覺這樣的感覺信息都被編碼成電信號。視覺信息并不像人們想象的那樣，都轉(zhuǎn)變成了電信號。
·對視覺機(jī)制，并未見到革命性進(jìn)展，雖然人們添加了若干新的視覺通道，并還在繼續(xù)挖掘中，但對視覺信息在這些通道中的具體傳輸機(jī)制依然是一無所知。
這種看法與顧凡及教授的看法不同，顧凡及教授認(rèn)為休伯爾是現(xiàn)代視覺科學(xué)之父，是開創(chuàng)性的。
·有人將視覺場景的加工分為三個層次：高、中、低三個層次水平。
·為了傳輸電信號，我們的大腦視覺皮層為何要演化出那么復(fù)雜的特征分離的功能超柱呢？
謝平教授強(qiáng)烈懷疑大腦對視覺信息的處理需要編碼與解碼的觀點。
顧凡及教授的文章強(qiáng)調(diào)休伯爾的貢獻(xiàn)，沒有提出疑問：
·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，是有貢獻(xiàn)的；
·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)”；
·發(fā)現(xiàn)初級視皮層朝向敏感細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)朝向特異性；
·發(fā)現(xiàn)視覺朝向功能柱。還發(fā)現(xiàn)初級視皮層的功能柱中還有些小的斑塊，其細(xì)胞對朝向不敏感，而對一定波長的光敏感。
·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”。
·發(fā)現(xiàn)視皮層可塑性和單眼視覺剝奪。
顧凡及教授的文章最后指出：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。
思考與討論
1）H u b e l和 Wiesel ( 1 9 6 2 )研究結(jié)果是不是現(xiàn)代視覺的開創(chuàng)者，如何界定現(xiàn)代視覺的概念？現(xiàn)代視覺與傳統(tǒng)視覺區(qū)別在哪里？傳統(tǒng)視覺是不是照相機(jī)的原理？楊雄里院士在中國百科網(wǎng)編寫的“視覺”詞條是不是現(xiàn)代視覺概念？為什么沒有提出現(xiàn)代視覺概念？
2）人眼里的光到底是什么？
1704年，牛頓發(fā)表《光學(xué)》一書。對人眼曾提出的三個與顏色和色覺有關(guān)的問題。科學(xué)家牛頓是基于光的粒子概念。1854 年，麥克斯韋(J.C.Maxwell) 研究了非均勻介質(zhì)的光學(xué)性能，從理論上論證了一種對某點呈球?qū)ΨQ的折射率分布函數(shù)，并指出在這種介質(zhì)空間區(qū)域中的每一點，都能無像差地銳成像在其共軛點，這就是著名的麥克斯韋“魚眼透鏡”?？茖W(xué)家麥克斯韋認(rèn)為光是電磁波?？茖W(xué)家愛因斯坦提出量子概念。郭光燦院士在《科學(xué)世界》上一篇文章“光究竟是什么？”，討論了光屬性的爭論。還用量子概念解釋3米以遠(yuǎn)能看見燭光嗎？最近南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室，開發(fā)了延遲選擇實驗的量子版本，即單個光子的粒子態(tài)和波動態(tài)處于相干疊加態(tài)。實現(xiàn)波—粒疊加狀態(tài)的關(guān)鍵是通過其他光子的量子態(tài)，控制光子在粒子態(tài)和波動態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。
（http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/9/430144.shtm）
在人的眼睛里，怎樣理解這種轉(zhuǎn)換？實際上這涉及三位科學(xué)家三種說法的統(tǒng)一。筆者認(rèn)為三位科學(xué)家的說法是不同的，目前仍然不能統(tǒng)一，筆者不解！
3）諾貝爾獎得主休伯爾（David Hunter Hubel)與維澤爾（Torsten Nils W i e s e l )的發(fā)現(xiàn)，如何用三位科學(xué)家的概念來解讀？
休伯爾發(fā)現(xiàn)初級視皮層朝向敏感細(xì)胞，是因為插到縫里玻璃片的邊緣在視網(wǎng)膜上投下了一條陰影，這一條暗直線刺激了細(xì)胞的感受野，引起這個細(xì)胞發(fā)放所需要的刺激。顧凡及教授認(rèn)為：如果只用小光點研究視覺皮層細(xì)胞的特性，即光的粒子反應(yīng)來研究的話，就會以為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，休伯爾不可能獲得巨大成功！
上面所說的，如果不是光點又是什么？這玻璃片的邊緣產(chǎn)生的暗條，在光學(xué)上發(fā)生了什么變化？用幾何繞射理論的概念分析的話，它會產(chǎn)生散射波。為什么牛頓的三棱鏡？把光變成了七色光，有人說這是分光實驗，從粒子的角度光可以分，從電磁波的角度，沒法分。那又怎么變成了七色光呢？七種波長，分光的說法不確切！
4）休伯爾發(fā)現(xiàn)初級視皮層朝向敏感細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)朝向特異性，發(fā)現(xiàn)視覺功能柱。筆者發(fā)現(xiàn)圖2朝向性白色的線條是周期性的。為什么視皮層中的神經(jīng)細(xì)胞對光點或大面積彌散光刺激無反應(yīng)？這是因為光的粒子性，沒有光的偏振效應(yīng)，只有在波動的時候，電場的方向與電極的方向平行時，電極上才會有最強(qiáng)的感應(yīng)電流產(chǎn)生，才會有著明顯的朝向特性。
5）為什么最優(yōu)方位大致以10°/50微米的變化率按順時針或逆時針方向連續(xù)變化，有時在旋轉(zhuǎn) 90°?270°以后，旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)？這個原因在于，視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞與水平細(xì)胞經(jīng)過雙級細(xì)胞以后，矢量疊加形成的結(jié)果。如果在直角坐標(biāo)系中，繪出這合成矢量的變化，就可以證明這一結(jié)果。
6）休伯爾發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜上神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的感受野與外側(cè)膝狀體神經(jīng)元上的感受野是一一對應(yīng)的，兩種神經(jīng)元對光點照射均呈現(xiàn)中心與周邊相互拮抗式的響應(yīng)模式（同心圓狀的感受野)。為什么會出現(xiàn)這種狀況？到目前為止，對視網(wǎng)膜上的細(xì)胞的組成，沒有人進(jìn)行細(xì)致的研究，因為1.3億的細(xì)胞，要繪出它們的連接圖很困難，筆者理解這些連接圖如同超大型陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)，是很復(fù)雜的。陣列天線的單元，就是感光細(xì)胞。感受野對應(yīng)神經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域。感光細(xì)胞是同心圓狀分布。
上述這些結(jié)果都表明了視覺系統(tǒng)中有電磁波傳輸通道，美國國防部提出的“國防生物與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域科技發(fā)展報告”(2017)/世界國防科技年度發(fā)展報告。美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動的RadioBio研究項目，探索細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞之間是否存在電磁傳輸和接收。還明確指出，要進(jìn)一步研究細(xì)胞之間的聯(lián)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。是否已經(jīng)意識到上述問題，有待觀察。
7）如果證明視覺系統(tǒng)里有電磁波傳輸通道，那么謝平教授的問題，也就可以得到解決。編碼的說法不能成立，休伯爾的發(fā)現(xiàn)隱藏了視覺系統(tǒng)存在著電磁波通道，如果證明電磁波通道存在，休伯爾的電極實驗存在不合理性，因為在電磁場內(nèi)，放置電極會干擾眼內(nèi)電磁場，也就是說，研究視覺系統(tǒng)通道應(yīng)該用細(xì)胞進(jìn)行，而不是電極。
8）視覺機(jī)制若有革命性進(jìn)展，關(guān)鍵在于操控細(xì)胞單體和群體，證明電磁波傳輸通道的存在。用麥克斯韋電磁波理論來解決，才是最有希望的。1.3億感光細(xì)胞的同步，也是由于電磁波能量的驅(qū)動機(jī)制。
總之，在學(xué)術(shù)界，專家學(xué)者們已經(jīng)意識到人眼睛的結(jié)構(gòu)和運行機(jī)理需要以新的思維去研究，對傳統(tǒng)的說法需要進(jìn)行必要的補充和修正，也只有這樣才能夠解決近視眼流行病，才有可能讓盲人復(fù)明。
聯(lián)系客服
