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珠联璧合的美妙合作

时间:2022-12-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:前面说过,休伯尔的实验发现有大量细胞对弥散光根本没有反应,可见弥散光并不是有效刺激。另外,芒卡斯尔还发现这些不同类型的神经元组成柱状结构,从皮层表面垂直向下延伸2毫米左右。休伯尔和维泽尔的工作计划并不难制定。休伯尔和维泽尔虽然心存顾虑,最后还是鼓起勇气去要回这台仪器。这就是引起这个细胞发放所需要的刺激。

前面说过,休伯尔的实验发现有大量细胞对弥散光根本没有反应,可见弥散光并不是有效刺激。因此,在1958年回到约翰·霍普金斯大学医学院之后,休伯尔觉得是该改变一下刺激模式的时候了。他认为视皮层犹如一座金矿,正有待人们用适当的方式去开采。

休伯尔的原定计划是到约翰·霍普金斯大学医学院的芒卡斯尔(Vernon Mountcastle)教授的实验室里做博士后。芒卡斯尔是研究躯体感觉的先驱,正是他发现了初级体感皮层中的不同神经元对不同类型的触觉有反应:有的神经元对皮肤表面的触觉有反应,有的神经元对深压有反应,但是几乎没有一个神经元对两者都有反应。另外,芒卡斯尔还发现这些不同类型的神经元组成柱状结构,从皮层表面垂直向下延伸2毫米左右。他认为每个这样的柱体都构成了一个整合的单位,它们很可能是皮层组织的基本形式。我们在下面将会看到他的这些先驱性的思想将对休伯尔和维泽尔有多大的启发。

但是时机不巧(从后果来说,应该讲是太巧了),芒卡斯尔的实验室正在改建,需时一年。有一天库夫勒打电话问休伯尔愿不愿意在芒卡斯尔的实验室改建完成以前,先到约翰·霍普金斯大学医学院眼科研究所他的实验室里和维泽尔一起工作一段时间。休伯尔本来就渴望在视觉方面接受严格的训练,而他和维泽尔又意气相投,所以事情就这样决定了。

休伯尔和维泽尔的工作计划并不难制定。还记得阿德里安向库夫勒提出的问题吗?“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。一个“自然”的想法是用库夫勒研究视网膜神经节细胞的一整套行之有效的方法去研究外侧膝状体或初级视皮层细胞。方法很现成,一切似乎都可以按部就班地去做:把微电极插到外侧膝状体或者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,看它落在视网膜的哪些地方,所记录的神经细胞的发放模式有没有变化,如果有变化的话,那么发生的是什么样的变化,并且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。

休伯尔到约翰·霍普金斯大学医学院以后,立刻就和维泽尔一起投入了工作。休伯尔以前对外侧膝状体做过一些工作,用的就是类似于库夫勒的实验方法,方法很有效,结果和从视网膜上的神经节细胞所得的结果也相仿,他确信那里的细胞也是中心—外周型的,所以他们决定一开始就直接研究视皮层。

因为当时休伯尔预计自己在库夫勒实验室的工作只有一年,显然他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。光刺激器是用一台眼底镜改装而成,它可以把背景光和光点刺激投射到视网膜上去。仪器上有一道狭缝用于插入金属薄片,薄片上有各种大小不同的小孔,这些小孔是用来透光的,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一个黑点的玻璃片来代替。这样的仪器对于做视网膜实验自然是很理想的,实验中猫脸朝上,做实验的人可以看到微电极插到视网膜的什么地方,也可以看到光点落在视网膜的什么地方,但是用它来记录皮层细胞就非常不方便了。因为对于皮层细胞来说,实验者事先根本不能预测它的感受野会在视网膜上的什么地方,所以他们只好在视网膜上到处去找,并且往往还记不清哪些地方已经刺激过了。一个月以后,他们决定把刺激投射到一块屏幕上,让猫看屏幕。由于他们没有其他的设备可以固定猫的脑袋不动,所以还是用那台老的仪器,猫脸依然朝上。这样他们不得不拿一条床单挂在天花板上作为屏幕,弄得实验室看起来有点像马戏场似的。有一天,芒卡斯尔走进来看到这种景象,大吃了一惊。

这样做实验自然不大方便,因为在整个实验期间,他们都不得不仰头朝天看着天花板。于是,休伯尔想到在芒卡斯尔的实验室里有一台猫头固定器闲置在那里没有用,而且在它上面还有眼科研究所的铭牌呢。这台固定器是研究所的一位工作人员以前在研究视皮层时用的,后来芒卡斯尔又用它来研究躯体感觉工作了好多年。休伯尔和维泽尔虽然心存顾虑,最后还是鼓起勇气去要回这台仪器。为了看起来像回事,他们都第一次,也是生平最后一次穿上了实验室的白大褂,走进芒卡斯尔的实验室。虽然芒卡斯尔平时总是那么的友好和慷慨,但是要他放弃这件宝贝毕竟还是有点困难的,可不锈钢架上的刻字是无可否认的,所以最后他们得胜而归。

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。我们用的还是那台塔尔博特—库夫勒眼底镜,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,其结果使我们对有关皮层是如何工作的这一问题的想法大为改观。在起初的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所在。原来,这个反应和玻璃板上的黑点一点关系都没有。实际上,是我们在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但是却很分明的阴影,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,要这个细胞引起反应,这种直线的朝向还只能落在一个很小的角度范围里。

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2.5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样的成功,而他们自己在外侧膝状体上的工作也支持了这一点!),如果他们坚持认为视觉皮层细胞的特性也只可以用它们对小光点刺激的反应来研究的话,他们就会以为在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和他们擦肩而过,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“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,某种程度的马虎是很有好处的。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的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。

为了确信他们的发现不是伪迹,休伯尔和维泽尔必须做进一步的实验。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,他们已经积累了足够多的数据,他们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,当然这要先送给库夫勒审阅一下。第二天当休伯尔走进实验室的时候,维泽尔一脸懊丧地告诉他:“我想斯蒂芬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!库夫勒喜欢文章简明扼要,最恨浮夸。在一开始的时候,写作对任何人来说都不会是一件容易的事。但不管怎么说,他们的第一篇论文在经过11次修改以后,终于在1959年为《生理学杂志》(Journal ofPhysiology)所接受。杂志主编拉什顿(William Rushton)在接受函的开头写道:“祝贺您们写了一篇出色的论文”,并且没有提出什么修改意见。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。

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