揭开马赫带之谜——哈特兰

所属分类：文史论文阅读291次时间：2020-09-10 10:06

本文摘要：摘要文章概述了1967年诺贝尔奖得主哈特兰的成长过程及其主要学术成就：发现视觉神经细胞的单纤维活动、青蛙视网膜神经节细胞的感受野、神经系统中的侧抑制作用从而解开了心理学上的马赫带之谜等，也介绍了他对科学无比热爱，充满好奇心，以及与时俱进等优

　　摘要文章概述了1967年诺贝尔奖得主哈特兰的成长过程及其主要学术成就：发现视觉神经细胞的单纤维活动、青蛙视网膜神经节细胞的感受野、神经系统中的侧抑制作用从而解开了心理学上的马赫带之谜等，也介绍了他对科学无比热爱，充满好奇心，以及与时俱进等优秀品质。

　　关键词哈特兰;视觉信息处理;侧抑制;马赫带

视觉信息处理

　　虽然普遍认为脑是产生心理现象的物质基础，但是由于心理现象的层次一般说来要远远高出神经回路层次，因此要想可信地用神经回路的知识解释心理现象是十分困难的。不过也并非没有这种解释的范例，其中最为人们熟知的是美国生物物理学家哈特兰(Haldan Keffer Hartline)通过研究鲎复眼视网膜中的侧抑制作用比较完满地解释了心理学上有名的马赫带现象。

　　所谓“马赫带”，就是当人们看两块内部亮度均匀的明暗区相邻的边界时，会在亮区一侧看到一条特别明亮的亮线，而在暗区一侧则会看到一条特别灰暗的暗线。这种主观上知觉到的特别亮和暗的线条就被称为马赫带。然而用亮度计来实际测量，却测不到在边界两侧有光强特别强或弱的线条存在，因此马赫带完全是一种主观上知觉到的心理现象。

　　虽然马赫也曾猜测过这种现象可能是由于相互抑制造成的，但是一直到哈特兰发现侧抑制作用之前，人们始终没有在神经回路层次上找到过解释这种现象的机制。哈特兰发现侧抑制作用不仅解决了马赫带之谜，为通过神经生理学研究解释心理现象树立了一个范例，而且还发现了动物感觉信息处理上的一条普遍原则。因此，他在1967年获得诺贝尔生理学或医学奖也是名至实归的了。

　　酷爱大自然的小男孩 1903 年 1 2 月 2 2 日哈特兰出生在美国宾州布卢姆斯堡 (Bloomsburg)的一个教师家庭里。他的父亲是布卢姆斯堡州立师范学校的一名自然科学教师，不仅喜欢生物学，还喜欢天文学和地质学。在他的办公室墙上挂着美国生物学家和地质学家路易斯•阿加西斯(Louis Agassiz)的警句“研究自然，而非书籍”。他的妈妈也在同一学校教英语，同时又是一位业余的园艺师和植物学家。

　　双亲的爱好往往对孩子有很大的影响，因此哈特兰从小就热爱自然。在他的童年时代，当他父亲带着学生到郊外野外观察和采集标本时，他总是跟着去，并且认真聆听他父亲向学生所做的介绍。他对大自然的热爱使父亲引以为傲。他们成了很好的伙伴，经常一起去远足，进行收集和观察。后来他深情地称他的父亲为“我的第一位也是最好的老师” [1]。

　　即使在成年之后，他也一直像他父亲那样对天文学和地质学保持浓厚的业余兴趣。1920年，当从布卢姆斯堡州立师范学校毕业时，他已经能对布卢姆斯堡溪流和田野中的所有常见昆虫和节肢动物如数家珍。那年夏天，父亲将他送到长岛冷泉港(Cold Spring Harbor)，进行为期6周的比较解剖学课程。

　　秋天，他进入了拉斐特学院(Lafayette College)。学生时代哈特兰入学之后，父亲和恩师孔克尔(B. W. Kunkel)都认为他应该读医，但是他们都没有注意到哈特兰在生物实验方面的天赋。他曾告诉孔克尔想做点科学研究，但不知道从何做起。孔克尔建议他研究陆生等足类动物。

　　他抓了些这种虫子却不知道应该做什么，于是去问孔克尔。孔克尔只是笑着说：“好吧，这正是你要研究的!”他在观察了一段时间后注意到这些虫子总是避开光线，藏在树叶下的污垢中。他想这种特性也许值得研究，于是开始查阅有关文献。对他最有启发的是洛布(Jacques Loeb)写的一本书，其中特别强调要进行定量化研究。虽然话说得有点模糊，但是从此开始，他就一直没有偏离他的主要研究方向：对视觉反应进行定量实验。

　　三年后，当他从拉斐特学院毕业进入约翰•霍普金斯大学时，他听从父亲和其他师友的建议读医，但他喜欢的始终还是做生物学实验，而非行医。不过，约翰• 霍普金斯大学毕竟是一所研究型的好大学，他的老师斯奈德(Charles D. Snyder)给了他一个任务，用弦线电流计测量青蛙、兔和猫的视网膜电图。弦线电流计是一种十分娇嫩的仪器，弦线很容易烧断，但是他很快就学会了操作和更换烧断的弦线。

　　有一天晚上，当他在做一个去皮层猫的实验时有一个大青蝇在周围飞来飞去，他把它抓住后想试试看是不是也能用弦线电流计测量到它的视网膜电图。出乎意料的是，不仅测到了，而且其量值比猫还要大10倍。这使他领悟到昆虫等低等动物也许是定量研究光感受器的理想标本。

　　直到1929年，每年夏天他都要去冷泉港的海洋生物实验室待一段时间。在那里他看到了活的鲎——以前他们家里有鲎的标本，这一动物后来他研究了一生。这是一种很古老的动物，有“活化石之称”。在其坚硬的甲壳两侧有两个相当大的复眼，其中都有1 000多个小眼。他对鲎的研究始于在伍兹霍尔(Woods Hole)研究鲎的暗适应。

　　不过，这中间有一段插曲，就是由于他不满意拉斐特学院和约翰•霍普金斯大学缺乏数学物理课程，他利用得到的一笔奖学金到德国学习物理。他师从的两位大师是慕尼黑的佐默费尔德(Arnold Sommerfield)和莱比锡的海森堡 (Werner Heisenberg)：前者被认为是有史以来最伟大的老师，因为在他的学生中有一大批后来得了诺贝尔奖;而后者则是量子论的奠基者之一。

　　当然，在这两位大师周围高手如云，他感到自己缺乏足够的数学物理背景知识，很难把它们作为自己的专业。虽然如此，他对物理学和数学的爱好和关注却维持终生，并在工作中特别注意定量研究和其中的物理原理。在欧洲待了一年半之后，他于1931年回到宾州大学(University of Pennsylvania)担任生物物理教授。

　　与时俱进弦线电流计虽然也能测量微小的电流变化，但是其灵敏度依然很有限，更大的缺点是不能反映快速变化。20世纪20年代有了电子管放大器以后，一些科学家就开始尝试用电子管放大器和示波器记录神经电反应。当然，在这种技术刚起步的阶段是不可能有现成的产品出售的。前面讲过，哈特兰曾经对记录昆虫的视网膜电图很感兴趣，特别是定量研究其中变化非常快的瞬态反应成分，而这是无法用弦线电流计记录的。他很快就意识到对此应该用有高输入阻抗的灵敏放大器和示波器。

　　1931年他自制了一台这样的放大器，尽管其貌不扬，以致看到它的科学家都吃了一惊，一位来访的电子学工程师赫维(John Hervey)甚至惊叫出声：“我的老天!”[2]不过这台仪器依然能够很好地工作。他这种紧跟科技发展的与时俱进的精神始终不渝，直到晚年，他依然是当时那一代神经科学家中会用机器代码进行计算机编程的极少数人之一。1926年英国生理学家阿德里安 (Adrian)和索特曼(Zotterman)首先用放大器记录到了青蛙牵张感受器单神经纤维的神经脉冲发放。哈特兰也想用同一技术记录鲎复眼的单根视神经发放。1931年夏，哈特兰和格雷厄姆(Graham)一起来到伍兹霍尔进行研究工作。

　　开始时，他们挑选幼鲎作为实验材料，这是因为幼鲎要经常脱壳，其角膜非常清澈，而且视神经也很好分离。于是他们模仿阿德里安的方法逐步剔除其中的神经纤维，直到只剩一根。但是预想的目标很难做到，记录到的总是一大串杂乱无章的脉冲。他们一个接着一个做，结果总不理想。就在还有两天就要离开伍兹霍尔的时候，所有的幼鲎都用完了。

　　水箱里只剩下两只成鲎，这两个家伙实在不讨人喜欢，两眼呆滞，而且擦伤严重，要是在平时是决不会用它们的，但是只剩两天时间了，不可能再新进一批实验动物，也就只能将就了。谁知道“鲎不可貌相”! 从第一个鲎的视神经中很容易就分离出单根纤维，当光照到它的复眼上时，从这根纤维上记录到一串很有规则的、峰值很高的脉冲。第二个成鲎的实验结果也一样。整个夏季的辛勤工作终于得到了回报。

　　结果表明，与光照强度有关的并非神经脉冲的幅度，而是它们的发放频率!进一步的工作还表明，发放频率与光照强度的对数成正比，这与对人所做的心理物理的结果—— 对亮度的知觉与光强的对数成正比 ——是一致的。初战告捷当然令人兴奋，但是科学的道路并非那么笔直。当时哈特兰以为鲎的视神经是直接从其感光细胞上发出的，不过进一步查阅文献后发现，在鲎的视网膜中还存在另一种细胞——偏心细胞，在其周围有很复杂的神经丛。另外，还有两个实验事实使他明白情况要复杂得多。

　　第一个事实是，当实验室变昏暗时，在同样的光强刺激条件下鲎小眼视神经的发放频率会加快，而当附近小眼受到的光照加强时，被测小眼的活动减弱。这说明邻近的小眼之间存在抑制作用。当他用特制的小剪刀把神经丛切断时，这种相互作用就消失。第二个事实是，当他把当时刚发明的微电极插到偏心细胞中去后，发现偏心细胞的发生器电位和视神经上的发放频率成正比。因此，视神经并非直接从光感受器上发出的，而是偏心细胞的轴突。在这里偏心细胞扮演了第二级神经元的角色，并且它们并非是孤立的，而是和周围的小眼有相互作用。发现蛙的视觉感受野对鲎视觉单纤维记录的成功，促使哈特兰暂时把注意力转向记录脊椎动物的单根视神经纤维。

　　这次他选取的实验动物是牛蛙，因为从牛蛙视网膜各处到盲点处的视神经纤维本身就是分离的。他把一小束视神经纤维挂到一根棉芯电极上，然后剔除多余的纤维直到只剩一根。虽然这样做很困难，成功率不高，但是他还是成功地发现蛙的视网膜很复杂。早在1932年阿德里安曾经用“感受野”一词来描写与某根蛙皮肤感觉神经纤维有联系的皮肤区域。哈特兰把这一概念推广到了视网膜。

　　他发现蛙视网膜上的感受野有三种不同形式：一种是当给光时相应的视神经纤维有发放; 第二种是当撤光时有发放;第三种则无论在给光或撤光时都有反应。他发现在感受野内部有空间总和作用，而对给光-撤光型感受野来说，其相邻区域还会起抑制作用。他的这一工作是以后对非常活跃的脊椎动物视觉感受野研究的发轫之作。但是哈特兰并未沿着这条道路继续深入下去，他觉得脊椎动物的视网膜过于复杂，很难定量研究。他真正感兴趣的是可以用数学进行定量分析的实验对象。

　　这使他重又回到对鲎复眼的研究，因为正如他后来所说，这是“一个比较简单的视网膜，且表现出纯粹的抑制性相互作用，从而为实验提供了一个不容忽视的机会。”“这个视网膜刚刚复杂到足以引起人们的兴趣，然而看起来又简单到足以使人们相信最终可以把它们研究清楚。”[2] 发现侧抑制现在已经说不清楚侧抑制现象最初究竟是在什么时候发现的，据哈特兰自己的回忆大概是在20世纪30年代末。

　　最初的报道要比这晚得多，不过还是远远先于有关脊椎动物视网膜中心-周边结构的报道。1950年赖特利夫(Floyd Ratliff加入到哈特兰的实验室，他对侧抑制现象十分感兴趣。在此后两年里他们对此做了一系列工作，不过正式发表却要在5年之后。在这段时间里富田常雄(Tsuneo Tomita)也加入进来。令他终身难忘的一件事是在他到实验室的第一天，哈特兰就把实验室的钥匙给了他，告诉他随时可以进实验室做任何他感兴趣的事。其实这是哈特兰的一贯行事方式，他对任何同事，不论其职位高低都给予充分的自由和信任。

　　几个月之后富田就发现逆行刺激鲎视神经也与给光一样能产生侧抑制效应。这为侧抑制研究提供了一种新方法。 1953年哈特兰所在的约翰•霍普金斯大学的校长布朗克(Detlev W. Bronk)转任洛克菲勒医学院 (Rockefeller Institute for Medical Research，后来改名为洛克菲勒大学)的院长，他立即任命哈特兰为该院生物物理实验室的主任，赖特利夫也跟了过去。从此他们开始了长达30年的合作研究。两人的研究风格不太一样：哈特兰总是把注意力集中在一个问题上，并仔细阐明一条基本原理;而赖特利夫则倾向于同时思考几个不同但相关的问题，从而阐明某种一般原则。

　　尽管有这种不同，但是他们都喜欢做定量研究，并且彼此互补，他们的友谊和合作建立在相互理解和相互尊重的基础上。哈特兰在为庆祝他70寿辰所出版的一本论文集所写的前言中，用下面的一段话总结了他们工作的意义：“我们有理由相信我们现在的工作虽然是专门对于一种古老的动物的眼睛所做的研究，却得出了有关视觉生理学以及实际上关于神经整合功能的某种一般的原则。”[2]

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　　这一点非常重要，正如他在1942年哈维讲座(Harvey Lecture) 中所指出的那样：“单个神经细胞绝不独立起作用，正是视觉系统中所有单元的作用整合在一起才产生了视觉。”[5]虽然哈特兰已经为阐明神经整合功能作出了重要的贡献，但是正如本文最后所介绍的曲线赫尔曼格阵所表明的那样，里面依然隐藏着很多秘密有待人们进一步探讨。

　　参考文献：

　　[1] GRANIT R, RATLIFF F. Haldan Kefer Hartline. 22 December 1903—18 March 1983 [J]. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, 1985, 31: 262-292.

　　[2] HARTLINE H K. Foreword [M]// Ratliff F (ed). Studies on excitation and inhibition in the retina. New York: The Rockefeller University Press, 1974.

　　[3] HARTLINE H K. Visual receptors and retinal interaction [J]. Science, 1969, 164(3877): 270-278.

　　作者：顾凡及

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