互动科普

诺贝尔的智慧：人体探索之路

迄今为止，已有150多位诺贝尔奖得主在《科学美国人》上发表了400多篇文章。我们在过往的《科学美国人》中摘选了一些经典文章，从这些文章里，你可以看到在不同的时代背景下，诺贝尔奖得主们怎样探索人体运行的奥秘。现在，让我们借林道大会的机会，一同回顾人体探索之路。

整理 费里斯 · 贾布尔（Ferris Jabr） 绘图 萨姆 · 福尔克纳（Sam Falconer）

翻译 郑奕宸

视觉原理

撰文：戴维·H·胡贝尔（David H. Hubel）

托尔斯滕·N·维泽尔（Torsten N. Wiesel）

1981年诺贝尔生理学或医学奖得主

本文刊登时间：1979年9月

大脑皮层由高度褶皱的神经组织构成，大约有两毫米厚，从大脑沟回的顶部向沟回的底部蜿蜒，占据了大脑半球最外层的位置。在这篇文章中，我们希望能展示大脑皮层上，关于其中一个区域的研究结果，这个区域叫做初级视觉皮层，是大脑皮层中与视觉相关的基础结构。

我们先从灵长类动物的视网膜到大脑皮层的视觉通路说起。每只眼睛产生的视觉信号都会通过视神经中上百万根神经纤维组成的神经束传递至大脑皮层。这些神经纤维是视网膜神经节细胞的轴突（axon，神经元的一个分支，可向其他神经元传递信息），它们会分别延伸到大脑深处的结构——外侧膝状体（lateral geniculate nuclei），并在那里形成突触（synapse，两个神经元的连接点），然后外侧膝状体的神经元会将自己的轴突伸向初级视觉皮层。

从20世纪50年代末开始，为了探索视觉通路的工作机制，科学家采用了比较直接的研究方法。例如，在研究视觉神经纤维时，他们会用微电极记录某根神经纤维传导出的所有信号，然后用不同的光线刺激视网膜，弄清楚如何才能最有效地影响这种信号的传递。比如，我们可以采用各种大小、形状、颜色的图案，或者反差极大的暗底亮色或亮底暗色图案，以及动、静态图案。我们发现，不管是视网膜还是膝状体，其中每个细胞都会对视野中特定位置、特定大小且近似圆形的光点产生最明显的反应。

收到信号后，视觉皮层会对信号做两种处理。首先，视觉皮层会重新整理视觉信号，让神经元对特定方向的线条，而不是光点作出反应。在大脑皮层上，神经元不计其数、种类繁多，有些神经元对视觉信号的反应比较简单，有些则比较复杂。而你很快就会发现，这些细胞存在一种“等级制度”，也就是比较简单的神经元会向复杂的神经元传递信号。一般来说，只有当光线照亮了视野的某个区域，视觉皮层中的神经元才会作出反应。而当朝着某个方向的光线在这个区域闪烁，或者从这个区域闪过时，神经元会作出最强烈的反应。奇妙的是，每个神经元最敏感的方向并不相同，而且敏感范围也比较小，以至于光线的射入方向顺时针或者逆时针旋转10~20度，相应神经元的反应就会大大降低甚至彻底消失（这样描述或许还无法准确阐释出神经元对方向的敏感程度。如果你觉得10~20度是一个不小的范围，可以想想时钟，它在12点和1点之间的夹角就是30度）。

时至今日，我们已经知道，大脑皮层中分布着至少百万甚至上千万的神经元，我们不禁会想，人类是否有朝一日能彻底搞清楚它们各自的功能。但至少对于视觉皮层这块，我们可以说已经有了大致的答案——每个神经元都会因为受到特定刺激而被激活，它们也可以对视觉信号做一些处理和转换。我们也许可以推测：既然视觉皮层之类的大脑区域已经逐渐为我们所了解，大脑皮层其他区域的秘密，也会逐渐被揭开。