揭開馬赫帶之謎——哈特蘭

　　摘要 文章概述了1967年諾貝爾獎得主哈特蘭的成長過程及其主要學術成就：發(fā)現視覺神經細胞的單纖維活動、青蛙視網 膜神經節(jié)細胞的感受野、神經系統(tǒng)中的側抑制作用從而解開了心理學上的馬赫帶之謎等，也介紹了他對科學無比熱愛，充 滿好奇心，以及與時俱進等優(yōu)秀品質。

　　關鍵詞 哈特蘭;視覺信息處理;側抑制;馬赫帶

　　雖然普遍認為腦是產生心理 現象的物質基礎，但是由于心理現 象的層次一般說來要遠遠高出神經 回路層次，因此要想可信地用神經 回路的知識解釋心理現象是十分困 難的。不過也并非沒有這種解釋的 范例，其中最為人們熟知的是美國 生物物理學家哈特蘭(Haldan Keffer Hartline)通過研究鱟復眼視網 膜中的側抑制作用比較完滿地解釋了心理學上有名的馬赫帶現象。

　　所謂“馬赫帶”，就是當人 們看兩塊內部亮度均勻的明暗區(qū)相 鄰的邊界時，會在亮區(qū)一側看到一 條特別明亮的亮線，而在暗區(qū)一側 則會看到一條特別灰暗的暗線。這 種主觀上知覺到的特別亮和暗的 線條就被稱為馬赫帶。然而用亮 度計來實際測量，卻測不到在邊界 兩側有光強特別強或弱的線條存在，因此馬赫帶完全是一種主觀 上知覺到的心理現象。

　　雖然馬赫也曾猜測過這種現象可能是由于相互 抑制造成的，但是一直到哈特蘭發(fā) 現側抑制作用之前，人們始終沒有 在神經回路層次上找到過解釋這種 現象的機制。哈特蘭發(fā)現側抑制作用不僅解決了馬赫帶之謎，為通過 神經生理學研究解釋心理現象樹立 了一個范例，而且還發(fā)現了動物感 覺信息處理上的一條普遍原則。因此，他在1967年獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎也是名至實歸的了。

　　酷愛大自然的小男孩 1903 年 1 2 月 2 2 日哈特蘭 出生在美國賓州布盧姆斯堡 (Bloomsburg)的一個教師家庭里。 他的父親是布盧姆斯堡州立師范學 校的一名自然科學教師，不僅喜 歡生物學，還喜歡天文學和地質 學。在他的辦公室墻上掛著美國生 物學家和地質學家路易斯•阿加西 斯(Louis Agassiz)的警句“研究自 然，而非書籍”。他的媽媽也在同 一學校教英語，同時又是一位業(yè)余 的園藝師和植物學家。

　　雙親的愛好 往往對孩子有很大的影響，因此哈 特蘭從小就熱愛自然。在他的童年 時代，當他父親帶著學生到郊外野 外觀察和采集標本時，他總是跟著 去，并且認真聆聽他父親向學生所 做的介紹。 他對大自然的熱愛使父親引 以為傲。他們成了很好的伙伴，經 常一起去遠足，進行收集和觀察。 后來他深情地稱他的父親為“我的 第一位也是最好的老師” [1]。

　　即使在成年之后，他也一直像他父親那 樣對天文學和地質學保持濃厚的業(yè) 余興趣。1920年，當從布盧姆斯堡 州立師范學校畢業(yè)時，他已經能對 布盧姆斯堡溪流和田野中的所有常 見昆蟲和節(jié)肢動物如數家珍。那 年夏天，父親將他送到長島冷泉港(Cold Spring Harbor)，進行為期6周 的比較解剖學課程。

　　秋天，他進入 了拉斐特學院(Lafayette College)。 學生時代 哈特蘭入學之后，父親和恩 師孔克爾(B. W. Kunkel)都認為他應 該讀醫(yī)，但是他們都沒有注意到哈 特蘭在生物實驗方面的天賦。他曾 告訴孔克爾想做點科學研究，但不 知道從何做起�？卓藸柦ㄗh他研究 陸生等足類動物。

　　他抓了些這種蟲 子卻不知道應該做什么，于是去問 孔克爾。孔克爾只是笑著說：“好 吧，這正是你要研究的!”他在觀 察了一段時間后注意到這些蟲子總 是避開光線，藏在樹葉下的污垢 中。他想這種特性也許值得研究， 于是開始查閱有關文獻。對他最有 啟發(fā)的是洛布(Jacques Loeb)寫的一本書，其中特別強調要進行定量化研究。雖然話說得有點模糊，但 是從此開始，他就一直沒有偏離他 的主要研究方向：對視覺反應進行定量實驗。

　　三年后，當他從拉斐特 學院畢業(yè)進入約翰•霍普金斯大學 時，他聽從父親和其他師友的建議讀醫(yī)，但他喜歡的始終還是做生物 學實驗，而非行醫(yī)。不過，約翰• 霍普金斯大學畢竟是一所研究型的 好大學，他的老師斯奈德(Charles D. Snyder)給了他一個任務，用弦 線電流計測量青蛙、兔和貓的視網膜電圖。弦線電流計是一種十分嬌 嫩的儀器，弦線很容易燒斷，但是 他很快就學會了操作和更換燒斷的 弦線。

　　有一天晚上，當他在做一個 去皮層貓的實驗時有一個大青蠅在 周圍飛來飛去，他把它抓住后想試 試看是不是也能用弦線電流計測量 到它的視網膜電圖。出乎意料的 是，不僅測到了，而且其量值比貓 還要大10倍。這使他領悟到昆蟲等 低等動物也許是定量研究光感受器 的理想標本。

　　直到1929年，每年夏天他都 要去冷泉港的海洋生物實驗室待 一段時間。在那里他看到了活的 鱟——以前他們家里有鱟的標本， 這一動物后來他研究了一生。這是 一種很古老的動物，有“活化石之 稱”。在其堅硬的甲殼兩側有兩個 相當大的復眼，其中都有1 000多 個小眼。他對鱟的研究始于 在伍茲霍爾(Woods Hole)研究鱟的 暗適應。

　　不過，這中間有一段插 曲，就是由于他不滿意拉斐特學院 和約翰•霍普金斯大學缺乏數學物 理課程，他利用得到的一筆獎學金 到德國學習物理。他師從的兩位大 師是慕尼黑的佐默費爾德(Arnold Sommerfield)和萊比錫的海森堡 (Werner Heisenberg)：前者被認為 是有史以來最偉大的老師，因為在 他的學生中有一大批后來得了諾貝爾獎;而后者則是量子論的奠基者 之一。

　　當然，在這兩位大師周圍高 手如云，他感到自己缺乏足夠的數 學物理背景知識，很難把它們作為 自己的專業(yè)。雖然如此，他對物理 學和數學的愛好和關注卻維持終 生，并在工作中特別注意定量研究 和其中的物理原理。在歐洲待了一 年半之后，他于1931年回到賓州大學(University of Pennsylvania)擔任 生物物理教授。

　　與時俱進 弦線電流計雖然也能測量微 小的電流變化，但是其靈敏度依然 很有限，更大的缺點是不能反映快 速變化。20世紀20年代有了電子管 放大器以后，一些科學家就開始嘗 試用電子管放大器和示波器記錄神 經電反應。當然，在這種技術剛起 步的階段是不可能有現成的產品出售的。前面講過，哈特蘭曾經對記 錄昆蟲的視網膜電圖很感興趣，特 別是定量研究其中變化非�？斓� 瞬態(tài)反應成分，而這是無法用弦線 電流計記錄的。他很快就意識到對 此應該用有高輸入阻抗的靈敏放大 器和示波器。

　　1931年他自制了一臺 這樣的放大器，盡管其貌不揚，以 致看到它的科學家都吃了一驚，一 位來訪的電子學工程師赫維(John Hervey)甚至驚叫出聲：“我的老 天!”[2]不過這臺儀器依然能夠很 好地工作。他這種緊跟科技發(fā)展的 與時俱進的精神始終不渝，直到晚 年，他依然是當時那一代神經科學 家中會用機器代碼進行計算機編程 的極少數人之一。1926年英國生理學家阿德里安 (Adrian)和索特曼(Zotterman)首先用 放大器記錄到了青蛙牽張感受器單 神經纖維的神經脈沖發(fā)放。哈特蘭 也想用同一技術記錄鱟復眼的單根 視神經發(fā)放。1931年夏，哈特蘭和 格雷厄姆(Graham)一起來到伍茲霍 爾進行研究工作。

　　開始時，他們挑 選幼鱟作為實驗材料，這是因為幼 鱟要經常脫殼，其角膜非常清澈， 而且視神經也很好分離。于是他們 模仿阿德里安的方法逐步剔除其中 的神經纖維，直到只剩一根。但是 預想的目標很難做到，記錄到的總 是一大串雜亂無章的脈沖。他們一 個接著一個做，結果總不理想。就 在還有兩天就要離開伍茲霍爾的時 候，所有的幼鱟都用完了。

　　水箱里 只剩下兩只成鱟，這兩個家伙實在 不討人喜歡，兩眼呆滯，而且擦傷 嚴重，要是在平時是決不會用它們 的，但是只剩兩天時間了，不可能 再新進一批實驗動物，也就只能 將就了。誰知道“鱟不可貌相”! 從第一個鱟的視神經中很容易就 分離出單根纖維，當光照到它的復 眼上時，從這根纖維上記錄到一串 很有規(guī)則的、峰值很高的脈沖。第 二個成鱟的實驗結果也一樣。整個 夏季的辛勤工作終于得到了回報。

　　結果表明，與光照強度有關的并非 神經脈沖的幅度，而是它們的發(fā)放 頻率!進一步的工作還表明，發(fā)放 頻率與光照強度的對數成正比，這 與對人所做的心理物理的結果—— 對亮度的知覺與光強的對數成正比 ——是一致的。 初戰(zhàn)告捷當然令人興奮，但 是科學的道路并非那么筆直。當時 哈特蘭以為鱟的視神經是直接從其 感光細胞上發(fā)出的，不過進一步查 閱文獻后發(fā)現，在鱟的視網膜中還 存在另一種細胞——偏心細胞，在 其周圍有很復雜的神經叢。另外， 還有兩個實驗事實使他明白情況要 復雜得多。

　　第一個事實是，當實驗 室變昏暗時，在同樣的光強刺激條 件下鱟小眼視神經的發(fā)放頻率會 加快，而當附近小眼受到的光照加 強時，被測小眼的活動減弱。這說 明鄰近的小眼之間存在抑制作用。 當他用特制的小剪刀把神經叢切斷 時，這種相互作用就消失。第二個 事實是，當他把當時剛發(fā)明的微電 極插到偏心細胞中去后，發(fā)現偏心 細胞的發(fā)生器電位和視神經上的發(fā) 放頻率成正比。因此，視神經并非 直接從光感受器上發(fā)出的，而是偏 心細胞的軸突。在這里偏心細胞扮 演了第二級神經元的角色，并且它 們并非是孤立的，而是和周圍的小 眼有相互作用。 發(fā)現蛙的視覺感受野 對鱟視覺單纖維記錄的成 功，促使哈特蘭暫時把注意力轉向 記錄脊椎動物的單根視神經纖維。

　　這次他選取的實驗動物是牛蛙，因 為從牛蛙視網膜各處到盲點處的視 神經纖維本身就是分離的。他把一小束視神經纖維掛到一根棉芯電極 上，然后剔除多余的纖維直到只剩 一根。雖然這樣做很困難，成功率 不高，但是他還是成功地發(fā)現蛙的 視網膜很復雜。早在1932年阿德里 安曾經用“感受野”一詞來描寫與 某根蛙皮膚感覺神經纖維有聯(lián)系的 皮膚區(qū)域。哈特蘭把這一概念推廣 到了視網膜。

　　他發(fā)現蛙視網膜上的 感受野有三種不同形式：一種是當 給光時相應的視神經纖維有發(fā)放; 第二種是當撤光時有發(fā)放;第三種 則無論在給光或撤光時都有反應。 他發(fā)現在感受野內部有空間總和 作用，而對給光-撤光型感受野來 說，其相鄰區(qū)域還會起抑制作用。 他的這一工作是以后對非�；钴S的 脊椎動物視覺感受野研究的發(fā)軔之 作。但是哈特蘭并未沿著這條道路 繼續(xù)深入下去，他覺得脊椎動物的 視網膜過于復雜，很難定量研究。 他真正感興趣的是可以用數學進行 定量分析的實驗對象。

　　這使他重又 回到對鱟復眼的研究，因為正如他 后來所說，這是“一個比較簡單的 視網膜，且表現出純粹的抑制性相 互作用，從而為實驗提供了一個不 容忽視的機會。”“這個視網膜剛 剛復雜到足以引起人們的興趣，然 而看起來又簡單到足以使人們相信 最終可以把它們研究清楚。”[2] 發(fā)現側抑制 現在已經說不清楚側抑制現 象最初究竟是在什么時候發(fā)現的， 據哈特蘭自己的回憶大概是在20世 紀30年代末。

　　最初的報道要比這晚 得多，不過還是遠遠先于有關脊 椎動物視網膜中心-周邊結構的報 道。1950年賴特利夫(Floyd Ratliff加入到哈特蘭的實驗室，他對側抑 制現象十分感興趣。在此后兩年里 他們對此做了一系列工作，不過正 式發(fā)表卻要在5年之后。在這段時 間里富田常雄(Tsuneo Tomita)也加 入進來。令他終身難忘的一件事是 在他到實驗室的第一天，哈特蘭就 把實驗室的鑰匙給了他，告訴他隨 時可以進實驗室做任何他感興趣的 事。其實這是哈特蘭的一貫行事方 式，他對任何同事，不論其職位高 低都給予充分的自由和信任。

　　幾個月之后富田就發(fā)現逆行刺激鱟視神 經也與給光一樣能產生側抑制效 應。這為側抑制研究提供了一種新 方法。 1953年哈特蘭所在的約翰•霍 普金斯大學的校長布朗克(Detlev W. Bronk)轉任洛克菲勒醫(yī)學院 (Rockefeller Institute for Medical Research，后來改名為洛克菲勒大 學)的院長，他立即任命哈特蘭為 該院生物物理實驗室的主任，賴特 利夫也跟了過去。從此他們開始了長達30年的合作研究。兩人的研究 風格不太一樣：哈特蘭總是把注意力集中在一個問題上，并仔細闡明 一條基本原理;而賴特利夫則傾向 于同時思考幾個不同但相關的問題，從而闡明某種一般原則。

　　盡管有這種不同，但是他們都喜歡做定 量研究，并且彼此互補，他們的友 誼和合作建立在相互理解和相互尊 重的基礎上。哈特蘭在為慶祝他70壽辰所 出版的一本論文集所寫的前言中， 用下面的一段話總結了他們工作 的意義：“我們有理由相信我們 現在的工作雖然是專門對于一種古 老的動物的眼睛所做的研究，卻得出了有關視覺生理學以及實際上關于神經整合功能的某種一般的原則。”[2]

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　　這一點非常重要，正如他 在1942年哈維講座(Harvey Lecture) 中所指出的那樣：“單個神經細胞 絕不獨立起作用，正是視覺系統(tǒng)中 所有單元的作用整合在一起才產生 了視覺。”[5]雖然哈特蘭已經為闡明神經整合功能作出了重要的貢 獻，但是正如本文最后所介紹的曲線赫爾曼格陣所表明的那樣，里面依然隱藏著很多秘密有待人們進一 步探討。

　　參考文獻：

　　[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：顧凡及

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