Дэвид Хьюбел

Дэвид Хьюбел (англ. David Hunter Hubel; 27 февраля 1926, Уинсор, Онтарио, Канада — 22 сентября 2013, Линкольн, Массачусетс, США) — канадо-американский нейробиолог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1981 года (совместно с Торстеном Визелом). Основные научные достижения Хьюбела связаны с исследованием механизмов обработки зрительной информации в коре головного мозга млекопитающих. Он внёс фундаментальный вклад в понимание того, как нейроны первичной зрительной коры реагируют на простые визуальные стимулы, такие как линии и края, и как эти реакции организуются в функциональные колонки.

Биография

Ранние годы и образование

Дэвид Хьюбел родился в семье инженера-химика Джесси Хьюбела и его жены Элси. В 1938 году семья переехала в Монреаль, где Хьюбел окончил среднюю школу. В 1944 году он поступил в Университет Макгилла, где первоначально изучал математику и физику, но под влиянием интереса к биологии и медицине переключился на медицинский факультет. В 1951 году он получил степень доктора медицины (M.D.). Во время обучения в университете Хьюбел также работал в лаборатории электрофизиологии, где познакомился с основами регистрации электрической активности нейронов.

Научная карьера

После получения медицинской степени Хьюбел проходил интернатуру в больнице Монреальского неврологического института. В 1954 году он переехал в США, где начал работать в отделении неврологии Медицинской школы Джонса Хопкинса в Балтиморе. В 1958 году он перешёл в Гарвардский университет, где в 1965 году стал профессором нейробиологии. В Гарварде Хьюбел работал до выхода на пенсию в 1993 году, занимая должность заведующего кафедрой нейробиологии (1968–1985) и директора лаборатории нейробиологии.

Личная жизнь

Хьюбел был женат на Ширли Хьюбел (урождённой Лоури), с которой познакомился в студенческие годы. У них родилось трое детей. Он увлекался фотографией и музыкой, играл на фортепиано. Умер 22 сентября 2013 года в возрасте 87 лет от почечной недостаточности.

Научные исследования

Открытие детекторов признаков в зрительной коре

Основной вклад Хьюбела и Визела в нейробиологию связан с серией экспериментов, проведённых в конце 1950-х – начале 1960-х годов. Они разработали методику регистрации активности отдельных нейронов первичной зрительной коры (V1) у анестезированных кошек и обезьян. В отличие от предыдущих исследователей, которые использовали сложные визуальные стимулы (например, изображения лиц или объектов), Хьюбел и Визел применили простые стимулы — световые пятна, линии и края, проецируемые на экран перед глазами животного.

В ходе экспериментов они обнаружили, что нейроны V1 не реагируют на равномерное освещение, но избирательно активируются при предъявлении линий определённой ориентации (например, вертикальной, горизонтальной или наклонной под конкретным углом). Эти нейроны получили название детекторов признаков (feature detectors). Было установлено, что каждый нейрон имеет своё «предпочтительное» направление линии, а также оптимальную скорость движения стимула.

Классификация нейронов зрительной коры

Хьюбел и Визел выделили три основных типа нейронов в первичной зрительной коре:

• Простые клетки — реагируют на линию определённой ориентации, расположенную в строго определённом месте рецептивного поля. Они имеют чётко выраженные возбуждающие и тормозные зоны.
• Сложные клетки — также реагируют на ориентацию линии, но менее чувствительны к её точному положению в рецептивном поле. Они могут отвечать на движение линии в определённом направлении.
• Сверхсложные клетки (гиперкомплексные) — реагируют на линии определённой длины и ориентации, а также на углы и концы линий. Они участвуют в обнаружении более сложных форм, таких как углы или изгибы.

Эта классификация стала основой для понимания иерархической обработки зрительной информации: от простых признаков (линий) к более сложным (углы, контуры).

Концепция колончатой организации коры

На основе экспериментов с регистрацией активности нейронов Хьюбел и Визел предложили модель колончатой организации зрительной коры. Они показали, что нейроны, расположенные в вертикальной колонке (перпендикулярно поверхности коры), имеют сходные свойства ориентационной избирательности. То есть, если в одной колонке все нейроны предпочитают вертикальные линии, то в соседней — линии под углом 10 градусов, и так далее. Это создаёт непрерывную карту ориентаций на поверхности коры.

Кроме того, они обнаружили глазодоминантные колонки — группы нейронов, которые преимущественно получают сигнал от одного глаза (правого или левого). Чередование таких колонок образует полосатую структуру, видимую при гистохимическом окрашивании. Эта архитектура, названная гиперколонкой, включает в себя полный набор ориентационных колонок и глазодоминантных полос, необходимых для обработки информации из небольшой области зрительного поля.

Нейронная пластичность и критический период

Ещё одним важным направлением работы Хьюбела и Визела стало изучение влияния зрительного опыта на развитие мозга. В серии экспериментов на котятах они показали, что если в раннем возрасте (в течение так называемого критического периода) закрыть один глаз, то нейроны зрительной коры, которые обычно получают сигналы от обоих глаз, перестают реагировать на закрытый глаз. В результате развивается амблиопия («ленивый глаз») — необратимое снижение зрения на закрытый глаз, даже если его впоследствии открыть. Это открытие имело огромное клиническое значение, объяснив механизм развития амблиопии у детей при косоглазии или катаракте, и подчеркнуло важность ранней коррекции таких нарушений.

Признание и награды

• Нобелевская премия по физиологии и медицине (1981) — совместно с Торстеном Визелом «за открытия, касающиеся принципов обработки информации в зрительной системе».
• Премия Луизы Гросс Хорвиц (1978) — совместно с Визелом.
• Премия Розенстила (1972) — совместно с Визелом.
• Член Национальной академии наук США (1971).
• Член Американской академии искусств и наук (1965).
• Иностранный член Лондонского королевского общества (1982).

Наследие

Работы Хьюбела и Визела заложили основы современной нейробиологии зрения. Их исследования не только объяснили, как мозг извлекает из визуального сигнала простые признаки, но и продемонстрировали фундаментальные принципы организации коры головного мозга — колончатую структуру и пластичность, зависящую от опыта. Эти идеи оказали влияние на развитие компьютерного зрения, нейросетей и методов лечения нарушений зрения у детей. Хьюбел также известен как автор научно-популярных книг, в том числе «Глаз, мозг, зрение» (1995), в которой доступно изложены основные принципы работы зрительной системы.

Источники

• Hubel D. H., Wiesel T. N. Receptive fields of single neurones in the cat's striate cortex // The Journal of Physiology. — 1959. — Vol. 148, no. 3. — P. 574–591.
• Hubel D. H., Wiesel T. N. Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cat's visual cortex // The Journal of Physiology. — 1962. — Vol. 160, no. 1. — P. 106–154.
• Hubel D. H. Eye, Brain, and Vision. — Scientific American Library, 1995.
• Wiesel T. N. David H. Hubel (1926–2013) // Nature. — 2013. — Vol. 502, no. 7473. — P. 625.
• Нобелевская лекция Дэвида Хьюбела (1981) // Nobelprize.org.