Хьюбел, Дэвид

Родился в Уинсоре (провинция Онтарио) в семье из Детройта, переселившейся в 1929 году в Монреаль^[3]. Его отец, Джесси Хьюбел (Jesse H. Hubel), был инженером-химиком; мать, Эльзи Хантер (Elsie M. Hunter Hubel), — домохозяйкой. Его дед, выходец из Баварии Фредерик Хьюбел (Frederick A. Hubel), также был химиком, одним из изобретателей желатиновых капсул и метода их нарезки для фармацевтической промышленности^[4][5]. Учился в Strathcona Academy в Отремоне (1932—1944), затем в Университете Макгилла. С 1954 года жил в США.

Дэвид Хьюбел и Торстен Визель используя технику регистрации отдельных единиц (клеток нейронов) исследовали реакцию индивидуальных нейронов зрительный зоны коры головного мозга. Эксперимент позволил определить связь определённых нейронов зрительной зоны коры головного мозга с определённым местом зрительного поля. Это показывает, что индивидуальные нейроны зрительной коры отвечают за стимулы отражаемые определённой рецепторной зоной, в данном эксперименте определённой зоной сетчатки глаза^[6].

Большая часть индивидуальных клеток зрительной коры — детекторы признака — проявляют активность при воздействии на рецепторы таких стимулов, расположённых в определённой области рецепторной зоны сетчатки глаза, как определённым образом ориентированные линейные сегменты, толщина линейных сегментов, конфигурация границы светлого-темного. Входом для клеток — детекторов признака являются нейроны таламуса. Нейроны — детекторы признаков соответствующие, например, определённой ориентации линейного сегмента в определённой области зрительного поля, являются входом для комплексных нейронов. В зрительной коре можно выделить иерархические структуры нейронов, в которые объединены: нейроны — детекторы признаков, комплексные нейроны и гиперкомплексные нейроны. Реакция на сложные комплексные стимулы требует перехода на более высокий уровень нейронов зрительной коры от детекторов к комплексным и далее гиперкомплексным нейронам. Гиперкомплексные нейроны реагируют на специфические, определённые для каждого гиперкомплексного нейрона, сложные фигуры независимо от их расположения в зрительном поле.

В дополнение к исследованиям иерархической обработки зрительных сигналов Хьюбел и Визель открыли в первичной зрительной коре колонки глазного доминирования. Они обнаружили, что нейроны зрительной коры организованы в вертикальные колонки, в пределах которых большинство клеток реагирует на стимулы преимущественно от одного глаза. Участки, где доминирует один глаз, чередуются с участками другого глаза, образуя полосатую структуру. Это открытие продемонстрировало, что информация от двух глаз, необходимая для бинокулярного зрения, остаётся частично разделённой на ранних этапах обработки в коре головного мозга^[7].

Эта работа также легла в основу концепции критического периода развития зрительной системы. В ходе экспериментов с монокулярной депривацией на котятах исследователи доказали зависимость формирования нейронных связей от зрительного опыта в раннем возрасте. Выяснилось, что лишение одного глаза зрительной стимуляции в этот период приводит к функциональной слепоте: нейроны коры перестают реагировать на сигналы от закрытого глаза, а представительство открытого глаза расширяется. Эти необратимые изменения продемонстрировали высокую пластичность мозга на ранних этапах развития и имели важное практическое значение для лечения амблиопии и врождённой катаракты у детей.

В своей нобелевской речи Хьюбел описал эксперимент, в ходе которого были открыты различные рецептивные поля первичной зрительной коры:

«Наше первое настоящее открытие случилось совершено неожиданно. На протяжении двух или трёх часов у нас ничего не получалось. Затем постепенно мы начали различать какие-то смутные и непостоянные ответы при стимуляции где-то на границе между центром и периферией сетчатки. Мы как раз вставляли слайд на стекле в виде тёмного пятна в разъём офтальмоскопа, когда внезапно, через аудиомонитор, клетка зарядила как пулемёт. Спустя некоторое время, после небольшой паники, мы выяснили, что же случилось. Конечно, сигнал не имел никакого отношения к тёмному пятну. Во время того, как мы вставляли слайд на стекле, его край отбрасывал на сетчатку слабую, но чёткую тень, в виде прямой тёмной линии на светлом фоне. Это было именно то, чего хотела клетка, и, более того, она хотела, чтобы эта линия имела строго определённую ориентацию. Это было неслыханно. Сейчас даже трудно подумать и представить себе, насколько далеко мы были от какой-либо идеи относительно того, какую роль могут играть клетки коры в обычной жизни животного».

Написал книгу «Глаз, мозг, зрение».

Исследования критического периода развития зрительной системы заложили основу для понимания и лечения амблиопии («ленивого глаза»). На основе этих открытий был разработан и применяется метод окклюзии, который заключается в закрытии здорового глаза для стимуляции амблиопичного^[8].

Иерархическая модель зрительной коры, предложенная Дэвидом Хьюбелом и Торстеном Визелем, легла в основу алгоритмов компьютерного зрения^[9]. Кунихико Фукусима воспроизвёл эту биологическую модель при создании неокогнитрона — искусственной нейронной сети, моделирующей работу зрительной системы. Впоследствии неокогнитрон стал предшественником современных свёрточных нейронных сетей (CNN), которые являются основным инструментом в области искусственного интеллекта для распознавания и анализа визуальной информации^[10].

Современная нейрофизиология значительно дополняет классическую иерархическую модель Хьюбела и Визеля, рассматривая её как описание лишь начальных этапов обработки зрительной информации. Важным этапом развития представлений о зрительной системе стала теория предиктивного кодирования. Она пересматривает заложенное в первоначальной модели представление о чисто восходящем потоке сенсорных данных. Согласно современным взглядам, критическую роль играют нисходящие (обратные) связи, идущие от высших корковых центров к низшим. По этим связям передаются ожидания и контекст, позволяющие мозгу эффективно интерпретировать визуальные сцены, в то время как восходящий сигнал передаёт преимущественно разницу между ожидаемым и реальным изображением^[11][12].

• 1972 — Премия Розенстила
• 1978 — Премия Луизы Гросс Хорвиц
• 1979 — Мемориальные лекции Вейцмана
• 1980 — Премия Диксона
• 1981 — Нобелевская премия по физиологии или медицине
• 1993 — Премия Ральфа Джерарда
• 1996 — Шрёдингеровская лекция (Имперский колледж Лондона)
• 2006 — Введён в Канадский зал медицинской славы^[13]