伟大的发现没有偶然——诺奖得主休伯尔

　　图1. 休伯尔（右） 和 维泽尔（左）在1981年的合影（图片来源：nobelprize.org）

　　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。

　　——拉马钱德兰（ V. S. Ramachandran） ［1 ］

　　撰文

　　顾凡及 （复旦大学生命科学学院退休教授 ）

　　2016年是神经科学家休伯尔 （David Hunter Hubel, 1926~2013）诞辰90周年。休伯尔的父母都是美国人，20世纪大萧条时到国境对面的加拿大谋生，他就是在那儿出生的，因此拥有美、加双重国籍[2]。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 （图1）。

　　开启研究生涯

　　虽说休伯尔是以神经科学家闻名于世的，但直到考研之前，他还没有受过任何生物学方面的正规训练，学的一直是数学和物理。1947年大学毕业，他同时收到麦吉尔大学（McGill University）物理学专业和医学专业的研究生录取通知，人生道路第一次面临何去何从的重大问题。说实在的，当时报考医科纯属一时冲动，他既无医学训练的背景也毫无这方面的经验，只是模模糊糊地有把物理知识运用到医学研究上去的一些想法，而当一名医生似乎颇有吸引力。此外，对于一个21岁的年轻人来说，什么才最适合自己并没有想得那么清楚，医科的在读时间长，范围又广，也许正好给他充分的时间去做进一步的考虑。不过直到正式报到之前，他也还没有拿定主意。他想向校方咨询一下，而答复是“不用着急，再想想吧，想定了之后告诉我们一声。”这种宽容的态度反而使他决心一试，这一试却最后“试”出了后来的诺贝尔奖，这该是他始料未及的。

　　研究生生涯刚刚开始，休伯尔还不太习惯医学专业的学习方式。过去，他只要在课堂上听懂了，或是书读懂了，就不再专门去记忆，结果第一学期期中考试他有4门课程只得了C（平均水平）。不过，他渐渐对神经病学和神经解剖感起兴趣来了，因为这两门课程既复杂又充满了神秘之处，而且也是麦吉尔大学的强势学科。在世时被誉为“最有影响力的加拿大人”的神经外科教授彭菲尔德（Wilder Penfield）就曾在麦吉尔大学任教。

　　从医学院毕业之后，休伯尔在蒙特利尔总医院（Montreal General Hospital）做实习医生，但他热切地希望参与研究工作，于是参加了一个讨论班。班上，每个人要围绕一个题目做报告，而他分到的是视觉问题——一个他从未涉足的领域。在准备报告的过程中，他偶然读到美国神经科学家哈特兰（Keffer Hartline） 和匈牙利裔美国神经科学家库夫勒（Stephen W. Kuffler）有关视觉感受野的论文，这引起了他极大的兴趣。1954年，他之前结识的一位来进修的美国医生打电话给他，问他是否愿意到霍普金斯当神经病学的住院医生。尽管霍普金斯大学并不以神经病学见长，但是其神经生理学却是一流的，蜚声学界的芒卡斯尔（Vernon Mountcastle）和库夫勒就在那儿工作。于是，休伯尔选择了霍普金斯。他惊喜地发现，医院里所有神经病学方面的员工中午都在食堂的同一张桌子上用餐，其中当然也包括芒卡斯尔和库夫勒，他们态度友好，平易近人，一下子就拉近了大家的距离。可惜，不久休伯尔就因双重国籍被征召入伍，离开霍普金斯，到华盛顿的瓦尔特•里德部队研究所（Walter Reed Army Institute of Research）从事神经生理学研究工作。在那里，他有了对自己研究方向的完全自主权。

　　发明钨丝电极

　　最初指导休伯尔电生理实验的是研究脊髓的神经科学家福特斯（Mike Fuortes）。一开始，福特斯准备和休伯尔一起做记录猫脊髓的实验，他随便地问了一下休伯尔：是否做过解剖？是否麻醉过猫？是否制备过电极？是否使用过放大器？令他失望的是，休伯尔的回答统统都是“没有”。福特斯转头望着窗外，过了一会儿，他说：还是先做蛙坐骨神经的复合动作电位记录吧！那天直到下午，他们才在一起做了猫的实验。日后，他们一起发表了一篇论文，这也是休伯尔生平的第一篇论文。

　　接下来便是休伯尔拥有独立课题的时候了。从福特斯建议的若干个方案中，他选择了一个“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”的课题，不过第一次实验就以完全失败而告终。休伯尔发现，关键是他需要一种电极，既细到可以只记录单个细胞的活动，又必须足够牢固到可以插入脑内，而且还要能可靠地逐渐向脑内推进。这并没有像初想起来那么容易。幸而研究所仪器组的组长莱文（Irvin Levin）是一位电化学专家，他教给休伯尔一种方法，通过电解把钨丝的尖端腐蚀得非常尖。休伯尔本身也非常喜欢动手，在克服种种困难之后，他终于制备出了适用于脑内记录的钨丝电极，钨丝的坚韧性克服了不锈钢电极的缺点。另外，他还发明了逐步推进电极的液动推进器。到最后，不仅研究所的人员都改而采用他的钨丝电极，而且外来取经学习的同行也络绎不绝，其中一位就是来自霍普金斯库夫勒实验室的博士后维泽尔。维泽尔年长休伯尔两岁，可能因为父亲是一位精神病医生，他大学也选择了读医，且对神经生理学特别感兴趣。自1954年毕业后维泽尔便开始从事神经生理学研究，第二年就幸运地受邀到库夫勒实验室做博士后。当时，库夫勒刚发表了后来使他声名鹊起的有关视网膜神经节感受野的工作。维泽尔自然也选择了这一研究方向。在休伯尔处参观学习钨丝电极是他们两人的第一次见面。从此，二人携手走向诺奖的漫漫征程拉开了序幕。

　　视觉研究初探

　　休伯尔发明钨丝电极之后非常兴奋，用自己的电极在脑中各处进行记录。他的同事提醒他不要忘了发明电极的初衷——记录可以自由活动的猫脑中的单细胞活动。一句话点醒梦中人：该把钨丝电极作为一种工具用来研究脑功能了，但是具体究竟选取什么课题呢？多年前读过的哈特兰和库夫勒的文章闪过脑际，休伯尔决定以视觉皮层作为研究对象。他定下的第一个课题是“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”。猫在睡着时眼睛是闭着的，透过眼皮的光只能是弥散光，因此为了对照起见，对清醒猫所施加的光刺激也要采用弥散光。

　　其时，视皮层细胞对弥散光的反应，德国科学家荣格（Richard Jung）从1952年就开始研究了，比休伯尔至少早了两年。他们还花多年时间开发了一套当时最先进最精密的设备，可以记录视皮层细胞对弥散光刺激的反应。荣格实验室报告称在脑中记录到四种不同类型的细胞：只在给光时有反应的给光细胞、只在撤光时才有反应的撤光细胞、在给光和撤光时都有反应的给光-撤光细胞——这三种细胞的对光反应特性和外膝体以及视网膜神经节细胞的对光反应特性类似； 还有一种对弥散光刺激根本就没有反应的细胞，他们称之为“A型”细胞。休伯尔准备从初级视皮层进行记录，当他把这个计划告诉同事时，许多同事的反应都是：“为什么要研究纹状皮层呢？我想荣格已经彻底研究过了。”一个初出茅庐的博士后，白手起家，怎么能在同一个方向上挑战公认的视皮层生理研究权威呢？然而，休伯尔开发了对记录部位进行标记的方法，他发现荣格记录到的前三种细胞其实记都是从外膝体来的神经束，而非皮 层细胞。也就是说，占他们记录数一半的、没有反应的“A型”细胞才是真正的皮层细胞！这些细胞对弥散光没有反应，对单纯的给光或撤光也没有反应。有一次，他在猫的眼前挥手，结果发现有一个细胞只对朝向某个特定方向的运动有反应，而另一个细胞则只对相反方向的运动有反应，因此皮层细胞必定是对更为复杂的刺激才有反应！当他把这个结果告诉库夫勒时，后者评论说：“非常有意思！”

　　休伯尔服役期满之后，在一次学术会议上遇见了芒卡斯尔，后者问他是否愿意回到霍普金斯大学生理系继续研究。芒卡斯尔是当时皮层神经生理学的国际领军人物，他在体感皮层上发现了柱状结构，被公认为是皮层生理学继发现皮层拓扑结构之后的又一重大发现。面对权威的热忱邀请，休伯尔受宠若惊，马上答应下来。结果，正欲赴任，芒卡斯尔却因实验室准备改建和重新分配，请他推迟半年再去。正当休伯尔为这青黄不接的半年犯愁时，库夫勒问他愿不愿意在芒卡斯尔的实验室改建完成以前，先到约翰•霍普金斯医院眼科研究所，在其实验室与维泽尔一起工作一段时间。休伯尔本就渴望在视觉方面接受一些严格的训练，他和维泽尔又意气相投，所以事情就这样决定了。

　　发现初级视皮层朝向敏感细胞

　　1958年7月，休伯尔终于回到霍普金斯大学开始了和维泽尔长达25年的密切合作。在这25年中，两人几乎一直在同一个课题组工作，一起发表文章，有时休伯尔是第一作者，维泽尔第二；有时则反之。这种情况几乎一直维持到他们两人共同获得诺奖。这在神经科学史上是非常少见的。非要说的话，似乎只有霍奇金和赫胥黎的双人组合可以与之媲美了。当然，一开始两人得制定一个目标——当年（1953年）库夫勒发现 猫视网膜神经节细胞的感受野具有同心圆结构之后，诺贝尔奖得主、英国神经生理权威阿德里安（Edgar D. Adrian）曾问他一个问题：“ 脑里的细胞也是这样的吗？”——休伯尔和维泽尔的目标就是要回答这个问题。二人搭档可谓是得天独厚：维泽尔在研究猫视网膜各层细胞的感受野方面早已具有丰富的经验，并且有一整套相应设备；休伯尔则开发了研究清醒猫皮层单细胞活动的方法，并发明了这一研究方法所需的钨丝电极。外加库夫勒对猫视网膜神经节细胞感受野的经典研究也树立了一个样板，引导着他们将研究结果扩展到皮层细胞。一个“自然”的方案就是仿照库夫勒研究视网膜神经节细胞的方法，把微电极插到初级视皮层的神经细胞里面去，然后用小光点一点点地在视网膜上探测，看它落到视网膜的哪些地方才能引起所记录的神经细胞发放模式的变化，以及发生的是什么样的变化，并把视网膜上的这些地方标出来，这样就可以得出这些细胞的感受野的相应结构。

　　休伯尔预计自己只能在库夫勒实验室工作一年，显然不可能像荣格那样先花两年时间建立一套完善的实验设备，那只能因陋就简了：他们所有的刺激和记录设备都是多年以前库夫勒为了研究视网膜设计的。光刺激器用一台眼底镜改装而成，可以将背景光和光点刺激投射到视网膜上。仪器上有一道狭缝用于插入金属薄片，薄片上开有大小不同的小孔以透光，就像放幻灯片那样。如果刺激是一个暗点，那么就用一小块上面粘有黑点的玻璃片来代替。实验中，猫脸朝上，实验者可以看到微电极插在视网膜的什么地方，也可以看到光点所落之处。

　　这样的仪器用来做视网膜实验自然很理想，但是用它来记录皮层细胞就非常不方便了。一个月以后，他们决定把光刺激投射到屏幕上，让猫看屏幕。由于他们没有其他能够固定猫头的设备，所以只能用老仪器，依然让猫脸朝上。这样他们不得不拿一条床单挂在天花板上当屏幕呈现刺激，弄得实验室看起来有点像马戏场似的。

　　他们取得的突破性进展很有戏剧性。休伯尔在他的诺贝尔奖演讲中回忆说：

　　我们最初的发现纯属偶然。我们做了一个月左右的实验。用的还是那台塔尔博特-库夫勒眼底镜 （库夫勒及其朋友塔尔博特 (S. A. Talbot) 发明的一种新型眼底镜——引者注），但是进展甚微：我们记录的皮层细胞对光点和光环根本就没有反应。有一天，我们记录到了一个特别稳定的细胞。……它一直工作了9个小时，看到结果，我们对“皮层是如何工作的”这一问题的想法大为改观。在头三四个小时里我们什么也没有发现，后来当刺激视网膜靠近外周的一些地方时，我们得到了一些没有规则的反应。但是，当我们把中间粘有黑点的玻璃板插到投影眼底镜里面去的时候，用来监视神经脉冲发放的扬声器发出一连串像机关枪一样的声响。在经过一阵茫然不知所措之后，我们终于找到了引起神经细胞发放的原因。原来，这个反应和玻璃板上的黑点一点儿关系都没有。实际上，是我们把玻璃板插到缝里去的时候，玻璃片的边缘在视网膜上投下了一条虽然比较暗淡却很分明的阴影，也就是说，在亮背景上的一条暗直线刺激了细胞的感受野，这就是引起这个细胞发放所需要的刺激。不仅如此，要引起这个细胞反应，直线的朝向还只能落在一个很小的角度范围里[3] 。

　　他们将这个特定的朝向称为该细胞的最优朝向，其变化范围只有15°左右 ，也就是大致相当于钟面上3分钟所张的角度，朝向在此范围之外的暗直线就不会引起该细胞反应。这完全是前人从来也没有想到过的事！机会永远只给那些有准备的头脑！一个真正的科研人员的头脑必须永远是开放的。如果他们坚持前人的传统观点（哪怕是权威的观点），认为小光点是最基本的刺激（这听起来似乎是很“合乎逻辑”的，前人在视网膜上用它作为刺激所做的工作又是那么成功！），如果他们坚持认为视觉皮层细胞的特性也只能用它们对小光点的反应来研究的话，他们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——也许是由不明原因引起的一种伪迹或噪声——那么一个重大的发现就会与他们擦肩而过，巨大成功的机会就会轻易溜走！后来休伯尔在自传中这样写道：

　　这件事有时被当作是“偶然性在科学中扮演重要角色”的例子。但是我们从来也没有觉得我们的发现是事出偶然。如果要想有所发现，那么你就得花时间去发现，你就得对自己的研究方式不过于偏执，这样就不至于抗拒事先无法预料到的情形。另外有两个研究组之所以未能发现朝向选择性，只是因为他们太“科学”了：有一个研究组造了台只能产生水平光条的仪器，而另一个研究组则只能产生垂直光条，他们以为这样做可以比用动来动去的光点探测视网膜更有效。在科学研究的某个早期阶段，某种程度的马虎很有好处。我们关注的是电极推进器、密封小室和电极本身。我们很快就放弃用于视网膜定量工作用的眼底镜，而代之以猫可以用双眼直视的一块大幕布和一台幻灯机，我们也并没有对刺激的时程、运动速率或光强都一一定量化。我们给刺激或是撤刺激就用手放在幻灯机前面，也用手操纵幻灯机。我们把注意力集中在刺激的几何性质上，对此我们用卡片盒、剪刀和胶布来作系统的改变。当然也可以用电子学或机械的方法来做到这一切，但是这样做无论从时间上来说，还是从经济上来说，代价都要高得多，并且还得牺牲掉灵活性[4] 。

　　事情确实是这样。在对视皮层细胞特性的研究中，从“起跑线”上来说，与休伯尔和维泽尔相比，荣格要遥遥领先得多，最后却被后来者大大超越了过去，原因之一就是他没有像休伯尔他们那样保持头脑的开放性，不放过各种可能性，而是一头扎进了一种方法、一种思路。他们未能及早领悟到，他们所用的刺激形式对视皮层细胞来说是无效的。尽管哈特兰曾经告诉过荣格，自己曾用弥散光背景下移动小杆的方法寻找撤光神经元，荣格也对同事们建议过试试这种方法，但是大家都反对做这种一点也“没有系统性的、考虑不周密”的实验。大家认为还是建立一套复杂一些的仪器为好。后来荣格很懊丧地说：“当有人问我，为什么我对皮层神经元做了五年的研究，却错过了发现朝向特异性，我往往会给他们讲这个故事，并且告诉他们如果我们不是去造那个定量化的机器，而用一根棒以各种朝向动来动去，我们有可能在一个实验中就做出了这样的发现。”后来他总结教训说：“在进入一个新领域的时候，在以某种特定的方法做大量的定量实验之前，应该先用一些比较简单的定性的探索性试验做一些尝试，以便找出最富有成果的方法。”而这，正是休伯尔和维泽尔所做的。

　　为了确信神经细胞的放电不是伪迹，休伯尔和维泽尔必须进一步实验。他们 必须要能记录到更多这样的细胞，并且有不同的最优朝向。到了第二年的一月份，他们已经积累到了足够多的数据，并确信真的发现了一种新现象，于是草拟了一篇摘要，准备投给1959年的国际生理学大会。当然，摘要得先送给库夫勒审阅一下。第二天，休伯尔走进实验室的时候，维泽尔一脸懊丧地告诉他：“我想斯蒂夫不大喜欢我们的摘要。”很明显，库夫勒对这篇摘要并不满意，他在稿子上所加的评论和建议比正文还多！库夫勒喜欢简明扼要，最恨浮夸。在一开始的时候，写作对随便什么人来说都不会是一件容易的事。但不管怎么说，他们的第一篇论文经过11次修改以后，终于在1959年为《生理学杂志》（Journal of Physiology）所接受。杂志主编 William Rushton在接受函的开头写道“祝贺你们写了一篇出色的论文”，且没有提出修改意见。正是这一划时代的发现奠定了他们日后荣获诺贝尔奖的基础。

　　视觉功能柱的发现

　　休伯尔和维泽尔发现，初级视皮层有一块1毫米见方的区域，其中所有神经细胞的感受野都集中在视觉空间的某个区域里，并且相邻细胞的最优朝向在 0°～180° 的范围内有规则地连续变化。有趣的是，在厚度为 2mm的垂直范围内，每个细胞的最优朝向都是一样的，他们称之为“朝向功能柱”。 另外，初级视皮层里的细胞有的对来自左眼的刺激反应猛烈，有的则对来自右眼的刺激反应猛烈。它们各自靠近成群，并且在厚度为 2mm的垂直范围内每个细胞的主宰眼也完全一样。他们还发现，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” （ 图2）。

　　休伯尔和维泽尔发现初级视皮层的功能柱结构以后，在相当长的一段时间里，人们并没有发现初级视皮层中还有些对朝向不敏感，而对光刺激的其他特性(例如光的波长)敏感的细胞。这可能是由于用传统的染色方法显示出来的初级视皮层的细胞构筑显得相当均匀一致，人们也就容易想当然地认为其功能也应该均匀一致。 一直到20世纪80年代初，休伯尔和利文斯顿 (Livingstone) 才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。休伯尔后来也都觉得奇怪，为什么自己没有早一点发现这一点？尽管在他记录的大量细胞中，确实也有对朝向不敏感的。

　　图2. 初级视皮层中的功能柱结构。上图：当记录电极的位置沿着皮层表面的方向一点点逐渐移动时，所记录到的细胞的最优朝向也一点点地改变；下图：朝向功能柱加上眼优势功能柱一起构成了皮层模块。图中白条的朝向表示相应细胞的最优朝向，蓝色圆斑中的细胞并没有朝向选择性，只在皮层的Ⅲ、Ⅳ两层中才有，后来才发现它们对刺激光的波长敏感

　　视皮层可塑性的发现

　　和单眼视觉剥夺

　　眼优势柱的发现激起了休伯尔和维泽尔的好奇心：这种组织是怎样形成的？视觉经验在其形成中是否必要？两人都有医学背景，他们都知道，先天性白内障幼儿即使在三四岁时去除白内障，依然不能完全恢复正常视觉，因此他们决定研究视觉剥夺对视皮层发育的影响。对先天性白内障的治疗和认识神经可塑性来说，这个课题无疑具有重要意义。

　　谈到怎样进行实验的问题，维泽尔回忆说，两人站在大厅里讨论，他建议把小猫从出生起就放在暗室里养育，而休伯尔则认为这样做太麻烦了，何不把幼猫一只眼睛的眼睑缝起来，把另一只眼睛留作对照？不过，休伯尔则说他已经完全记不起这回事了。这种情况在他们25年密切无间的合作中并非孤例。多年后，休伯尔是这样描述他们的合作的：

　　我们不大记得，也从不讨论我们的想法是打哪儿来的——多半是在我们没完没了的实验和讨论中产生的。有的想法是我们中间的某个人提了个头但是后来常常就给忘了，而在几个月之后另一个人又重新提了出来[2] 。

　　他们最后采取了单眼睑缝合法。他们使用的幼猫、幼猴出生天数不同，眼睑缝合的时长也不同，最终发现，刚出生几周的幼猴，虽然初生具有正常的功能柱，但将其一只眼睑缝合若干天后，视皮层就发生了显著的变化：对缝合眼能产生反应的细胞大为减少，而非缝合眼则占据了缝合眼原来对应的皮层区域。并且，缝合时动物的年龄越大，单眼视觉剥夺对皮层改变的影响越小。这就从脑机制上解释了原来临床上所观察到的行为变化。

　　探索之路

　　2013年9月22日，休伯尔因肾衰竭溘然辞世，一代巨星就此陨落。限于篇幅，本文仅介绍了他漫长科研生涯中的一些片段，但他对科学的贡献和热爱将永远鼓舞后人在科学的道路上奋勇前进。可以说，休伯尔是一位永不疲倦的探索者，诚如他在自传中所言：

　　我们从事的科学研究看上去不大像中学里教给我们的那种科学：科学就是一些定律、假设、实验证实、推广等等。我们感到我们就像15世纪的探险家那样，就像哥伦布扬帆往西只是为了发现他有可能发现些什么。如果说我们有什么“假设”的话，那也只是有关脑、特别是皮层的一种质朴的想法：有着种种有序复杂性的脑接收到输入的信息必须做出某些在生物学上有意义的处理，其输出一定要比输入更精巧。因此我们记录细胞是要看我们能够发现些什么。我猜想科学中的许多领域，尤其是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著作里面有没有什么数字或者方程[4] 。

　　参考文献

　　[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 euroscience in Autobiography, Vol. 1. Society for neuroscience. [S. l.]: Oxford University Press, 1996: 294-317.

　　本文原载《自然杂志》2016年第4期，《赛先生》获作者和杂志授权发表，经二次修订。