常言道，耳聽為虛眼見為實，說明人類大腦通常對視覺信息有更強的依賴性，願意相信親眼目睹的東西。這基本上符合我們的經驗規律，當然也有例外（視錯覺等，這裡不做討論）。但是當我們在研究視覺系統時，繞不開的問題就是：我們的大腦是怎麼把視覺輸入轉化為對外在世界的認識呢？1981 年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者 D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel（圖 1）的工作給我們對這一過程的理解打開了一扇窗。他倆獲獎主要原因就是獎勵他們在視覺系統中的信息加工中做出的重大貢獻。
圖 1： D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel。1981 年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者。
D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel 早年相遇在 Stephen Kuffler 的實驗室，T.N.Wiesel 當時跟隨 Stephen Kuffler 做博士后研究。恰巧由於當時學校部門改組，D.H.Hubel 也加入到 Stephen Kuffler 組準備做為期幾個月的工作。正是這樣的機緣巧合，從這幾個月的合作開始，竟然延續了後來 25 年的共同研究，也讓他們成為世界公認的在科學研究上最長久的搭檔之一。他們的研究內容貢獻了神經生物學教科書視覺部分近一半的內容，成為所有神經生物學學生必學的內容，被永久的寫進教科書。
諾貝爾委員會認為 D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel 在視覺系統研究的重大貢獻主要集中在兩個方面:第一個方面就是他們的工作建立了視覺的神經生理學基礎，闡述了進入視網膜的信號如何被大腦處理，讓我們獲得關於物體的邊界，運動，空間縱深，顏色，組分等基本的視覺感知信息。第二個方面就是在 1960 年代到 1970 年代期間他們對視覺系統發育的研究，做出對於初級視覺皮層眼優勢柱的描述。[2] [3]
1.視覺信息的處理
當初他們也是受到 Stephen Kuffler 的感召[4]，被 Stephen Kuffler 早期在視網膜內部對光的處理所做的工作吸引，加入到 Stephen Kuffler 的團隊。早期工作時，他們就利用單細胞記錄技術記錄麻醉狀態下貓的大腦對於不同視覺刺激時的反應。[5]（圖 2）
圖 2： 給貓予光斑刺激，並同步記錄視皮層神經元的活動。
當把電極插入大腦皮質中的時候，視覺刺激也就是光斑就被投影在大屏幕上，這就是貓能感受到的整個視野大小，靠近電極的視覺神經元由刺激所造成的興奮就能夠被記錄下來。通過系統的改變刺激的形狀，大小和位置，他們找到了能夠改變所記錄的神經元放電模式的最有效刺激形式。實驗結果表明圓形的光斑不是最有效的刺激模式了，取代它的是有特定方向的條形光斑（如圖 3a,3b 所示）。
a b c
圖 3： 確定不同的光斑模式對神經元造成刺激的影響。a,圓形光光斑的位置和大小造成刺激的影響。左邊是刺激的形式，右邊記錄細胞外的動作電位。b,條形光斑，不同朝向和長度造成刺激的影響。c,b 中左側圖中的視覺神經元的感受野。△代表抑制區域，×代表激活區域。
一旦這條形光斑固定好一定高度，增長不會產生額外的刺激效果，相反，不管在條形光斑哪邊的寬度增加都會降低視覺神經元的放電頻率。因此這些視覺細胞的感受野可以被描繪成如圖 3c 所示。中心區域為開的區域，即刺激能夠激活的區域。而關的周圍區域則分佈在兩側，即刺激難以激活的區域。在視覺皮層，對於這樣感受野的細胞，我們稱之為簡單細胞。空間上這些簡單細胞在視覺皮層中通常限縮到非常狹窄的區域，它們最好的刺激方式是條帶光斑，並且它們對於光斑的朝向非常敏感，對於刺激有開和關的區域拮抗。當發散光覆蓋整個開和關的區域時，不能夠刺激這些細胞。簡單細胞因此能被看成是視覺特定區域裡面對線條或者邊緣的感受器。
進一步實驗發現，在視覺皮層里還存在一類細胞，這類細胞不存在相互拮抗的開關區域。但是和簡單細胞一樣，它們也能對特定方向的條形光斑刺激產生反應。而且不管是黑底白帶的刺激類型還是白底黑帶的刺激類型，都能產生類似的反應。這類細胞通常較簡單細胞有更大的感受野，特定方向的條形光斑只要落在這個感受野上它們都能對刺激產生反應。這類細胞被稱為複雜細胞，可以認為，這類細胞與簡單細胞相比是更加抽象的線條或者邊緣的感受器。
那麼視覺皮層細胞是怎樣獲得它們的感受野呢？D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel 假設簡單細胞的感受野來自於一系列的背外側膝狀核（LGN）線性排列的神經元感受野的綜合，作為這類線性排列的神經元特定連接模式的結果。類似的，複雜細胞的感受野就是由相連的一系列有特定朝向的簡單細胞來構建。因為一個神經元的感受野是由它前面的視覺處理來塑造的，所以，這個假設也被稱作前饋模型。這樣看來，沿著視覺通路神經元感受野的形成是有層級的。從對光強度的感知，到對比度的感知，然後到線條和邊緣的感知。通過每一次的轉換，光信號慢慢接近於視覺信號的形成。通過編碼線條和邊緣，能夠讓視覺皮層中神經元形成更高層級的視覺信息，起到特定的作用，比如面部識別或者運動感知等等。（圖 4）
圖 4:簡單細胞和複雜細胞感受野的構建。4a,簡單細胞的感受野來自於將一系列的 LGN 細胞輸入的轉換，許多環狀的感受野就能組成一條線。4b，複雜細胞的感受野來自於一系列空間傾向性特定排列的簡單細胞輸入的轉換。[6] [8] [10]
2.眼優勢柱的闡述
當皮層神經元在初級視覺皮質層面上對於左和右的刺激做出反應的時候，垂直組織形式也被發現。我們都知道，儘管單個的 LGN 神經元只對於來自於單眼的刺激做出反應，而個體的視覺皮層神經元能夠對來自於處在同樣位置雙眼的刺激做出反應，從而能夠形成雙眼視覺。這點對於深度感知非常重要。然而，許多視覺神經元仍然對於不管是左眼還是右眼的輸入有很強的傾向性，這個特性我們稱之為視覺優勢。
眼優勢柱的闡述也是 D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel 的重要貢獻之一。D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel 檢驗他們的電極通道時就想象有沒有這種可能，具有相同的視覺優勢的細胞會不會傾向於形成一個柱狀結構？他們稱之為視覺優勢柱。接下來它們使用一種叫做 trans-neuronal tracing 方法做了進一步研究。研究結果表明具有相似刺激反應的區域不僅僅像條柱那樣的狹窄，反而是側向相鄰展開。在這個技術中，放射性標記的氨基酸被注射到一側眼睛中，另一側眼睛被縫合。這些帶有放射性的氨基酸就能被合成進入視網膜神經元的蛋白質，然後通過視網膜神經節細胞（RGC）的軸突轉運到 LGN,再進一步通過 RGC-LGN 突觸和 LGN 的軸突轉運到視覺皮層的 V1 區。最終，LGN 的軸突和連接注射眼的皮層神經元都被標記出來。當把 V1 區的切片拿到膠片上去拍照時，產生了一副令人驚訝的圖片（如圖 5 所示），非注射眼的神經元群標記為較深的黑色條紋與表示注射眼的神經元群標記的白色條紋交錯排布，從而出現優勢眼柱。
圖 5： 初級視覺皮層的視覺優勢柱。非注射眼的神經元群標記為較深的黑色條紋，表示注射眼的神經元群標記的白色條紋。[6] [7] [10]
正是由於 D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel 的早期發現，為理解和治療兒童白內障和斜視開闢了道路，同時對理解皮質的可塑性也有重要作用，並且引發了人們開始探討上述現象是不是在所有種屬的動物視覺系統中都存在？如果存在是否有差異？造成這種差異的原因是什麼？會對個體或者種族的生存帶來什麼影響？等等。他們的工作為視覺的神經生物學提供了更多探討的方向和可能。
圖 6： Stephen Kuffler 對 D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel 首篇文章摘要的修改
最後，凡是看過 D.H.Hubel 和 T.N.Wiesel 的獲獎演講或者閱讀過他們合著的綜述《視覺皮層的早期研究》[9] 的讀者都會發現，在他們早期的研究工作中，Stephen Kuffler 對他們的悉心引導和幫助，對年輕人工作和學習的嚴格、熱情又體貼入微的態度，給他們留下了深刻印象。從而也讓這兩位學生即使在多年獲得諾貝爾獎后對昔日的導師依然保持著那樣的深情和尊重。（圖 6）這些也應該是像他們學習的一部分。
拓展閱讀：想對 Stephen Kuffler 有更多了解可參考
或者《Stephen W. Kuffler》
參考文獻：
[1] https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1981/
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/David_H._Hubel
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Torsten_Wiesel
[4] http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2237&do=blog&id=443223
[5] http://blog.sciencenet.cn/blog-201529-428600.html
[6] Hubel, David H., and Torsten N. Wiesel. "Receptive
fields of single neurones in the cat's striate cortex." The Journal of physiology148.3 (1959):
574-591.
[7] Wiesel, Torsten N. "The postnatal development of the visual cortex and the influence of environment." Stockholm: Nobel Foundation (1981).
[8] Hubel, David H. "Evolution of ideas on the primary visual cortex, 1955–1978: A biased historical account." Physiology or Medicine Literature Peace Economic Sciences, Nobel Prize Lectures(1993): 24
[9] Hubel, David H., and Torsten N. Wiesel. "Early exploration of the visual cortex." Neuron 20.3 (1998): 401-412.
[10] Luo, Liqun. Principles of Neurobiology. Garland Science,2015.
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