HALDAN KEFFER HARTLINE

V roce 1967 získali Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu tři badatelé na poli fyziologie zraku – finsko-švédský neurofyziolog Ragnar Arthur Granit, americký biofyzik Haldan Keffer Hartline a americký biolog George Wald.

HALDAN KEFFER HARTLINE
(1903–1983)

Chlapec pokřtěný jako Haldan Keffer Hartline (pro přátele zkrátka Keffer) se narodil 22. prosince 1903 v Bloomsburgu, univerzitním městečku na řece Susquehanna v americké Pensylvánii. V rodišti vychodil státní normální školu, působiště obou rodičů, kteří v synovi svorně pěstovali lásku k přírodě, přestože přírodopis učil jen otec, pensylvánský Němec Daniel Schollenberger Hartline. Hluboký vztah k přírodě měla však i matka Harriet Franklin rozená Kefferová, dcera houslisty, sama houslistka ve školním orchestru a učitelka angličtiny.

Hned po skončení studií v Bloomsburgu v létě 1920 věnoval mladík 6 týdnů kurzu srovnávací anatomie v mořské laboratoři v Cold Spring Harboru na Long Islandu. Na podzim pak začal studovat biologii na Lafayetteově koleji v pensylvánském Eastonu, kde ho profesor biologie Beverly Waugh Kunkel, autor klasické monografie o bermudských různonožcích, vedl k výzkumné práci. V badatelské prvotině o fototropických odpovědích suchozemských stejnonožců byl Hartlineovi vzorem newyorský biolog Jacques Loeb se svým kvantitativním studiem tropismu. V létě 1923 mu Keffer v Laboratoři mořské bio­logie ve Woods Hole ukázal své výsledky a Loeb ho povzbudil k jejich publikaci (Influences of Light of Very Low Intensity on Phototropic Reactions of Animals. J Gen Physiol 1923; 6: 137–152).

Po dosažení bakalaureátu přírodních věd téhož roku odešel Hartline do Baltimoru studovat medicínu na Univerzitě Johnse Hopkinse, kde se přitom pod vlivem fyziologů Eli Kennerlyho Marshalla a především Charlese Davida Snydera věnoval výzkumu elektrofyziologie sítnice. Snyder ho naučil vyměňovat prasklou strunu galvanometru, než mu jej svěřil k užívání, a Keffer pak v průkopnické práci snímal sítnicový akční potenciál u rozličných živočichů včetně člověka a takto přispěl ke zrodu moderní elektroretinografie (The Electrical Response to Illumination of the Eye in Intact Animals, Including the Human Subject; and in Decerebrate Preparations. Am J Physiol 1925; 73: 600–612).

Když v roce 1927 získal doktorát lékařství, zvolil si dráhu badatele. Dvouletého stipendia Národní rady pro výzkum užil na Hopkinsově univerzitě k pokračování v pokusech (A Quantitative and Descriptive Study of the Electric Response to Illumination of the Arthropod Eye. Am J Physiol 1928; 83: 466–483). Podnícen úspěchem Edgara D. Adriana a Rachel Matthewsové, kteří v roce 1927 zaznamenali elektrickou aktivitu ve zrakovém nervu úhoře, experimentoval nyní také s novým pokusným živočichem – ostrorepem americkým (Limulus polyphemus), mořským členovcem s dlouhým zrakovým nervem a velkými fotoreceptory v postranním složeném oku (The Dark Adaptation of the Eye of Limulus, as Manifested by Its Electric Response to Illumination. J Gen Physiol 1930; 13: 379–389). Chtěl se však především zdokonalit v matematice a fyzice, takže stipendium nadace Pensylvánské univerzity ve Filadelfii pro studium fyziky, kterou právě založil konstruktér gramofonu Eldridge Reeves Johnson, věnoval na roční pobyt u Wernera Heisenberga v Lipsku a u Arnolda Sommerfelda v Mnichově. Ukázalo se ale, že na tamní náročnou výuku jeho teoretická výbava nestačí, a Hartline se v roce 1931 vrátil do Ameriky v poraženecké náladě.

Ve Filadelfii však na něho čekal ředitel Johnsonovy nadace Detlev Wulf Bronk, sám také biofyzik a průkopník studia vedení vzruchů v nervovém vlákně, který rozpoznal Kefferovy mimořádné vlohy k uplatňování fyzikálních technik v biologickém výzkumu a nabídl mu místo v Ústavu lékařské fyziky Pensylvánské univerzity. Keffer nabídku přijal a vrátil se ke studiu ostrorepa. S psychofyziologem Clarencem Henrym Grahamem využil Adrianovy a Bronkovy rozvlákňovací techniky a pomocí zevních elektrod zaznamenal elektrickou aktivitu v jednotlivém vláknu zrakového nervu (Nerve Impulses from Single Receptors in the Eye. J Cell Comp Physiol 1932; 1: 277–295; s Grahamem). Později prokázal, že informace vedená vláknem zrakového nervu je kódována v sérii oddělených vzruchů, které se změnami intenzity světla mění frekvenci spíše než amplitudu (Intensity and Duration in the Excitation of Single Photoreceptor Units. J Cell Comp Physiol 1934; 5: 229–247). Potom určoval spektrální citlivost fotoreceptorů ostrorepa: dráždil smyslové buňky viditelným světlem různých vlnových délek, vyvolané vzruchy oscilograficky snímal na vlákně zrakového nervu a zjistil, že jednotlivá smyslová buňka ostrorepa vnímá rozdíly v jasu, nikoli ve vlnové délce, je však na určitou oblast barevného spektra diferenciálně citlivá. Objevil tak periferní mechanismus barevného vidění (The Response of Single Visual Sense Cells to Lights of Different Wave Lengths. J Gen Physiol 1935; 18: 917–931; s Grahamem).

Dne 11. dubna 1936 se oženil s instruktorkou srovnávací psychologie v Bryn Mawr College Mary Elizabeth Krausovou, o 6 let mladší dcerou profesora chemie na Brown University Charlese Augusta Krause. Beth pak ve tříletých odstupech přivedla na svět tři budoucí vědce: neurobiolog Daniel Keffer se narodil v roce 1939, biofyzik Peter Haldan 1942, fyzik Frederick Flanders 1945.

Další výzkum rozšířil Hartline na obratlovce (The Response of Single Optic Nerve Fibers of the Vertebrate Eye to Illumination of the Retina. Am J Physiol 1938; 121: 400–415) a u žab zjistil šíření vzruchu jedním a týmž vláknem zrakového nervu po osvětlení kteréhokoliv místa v určitém okrsku sítnice, z jehož fotoreceptorů se nervové dráhy sbíhají do tohoto vlákna. Takto objevil receptivní pole vlákna zrakového nervu. Nadto objevil, že některá pole reagují plynulou tvorbou vzruchů po dobu osvětlení, jiná jen v okamžiku zapnutí nebo vypnutí světla, některá dokonce jen v okamžiku vypnutí. Vlákna zrakového nervu tak současně vedou informace o různých poměrech světla a stínu na jednotlivých fotoreceptorech (The Receptive Fields of Optic Nerve Fibers. Am J Physiol 1940; 130: 690–699).

U ostrorepa tehdy Hartline zjistil, že dráždění jedné stavebně-funkční jednotky oka – omatidia – působí zároveň úbytek dráždivé aktivity v sousedních omatidiích, zveřejnění objevu však dlouho odkládal. Mezitím – po 9 letech práce v Ústavu lékařské fyziky – následoval v roce 1940 Bronka do Lékařské koleje Cornellovy univerzity v New Yorku, kde přijal mimořádnou profesuru fyziologie. Pro oba přátele tam však nebylo dost akademické ani vědecké svobody, takže už za rok se spolu vrátili do Filadelfie. V následujících letech Hartline pokračoval v dosavadním výzkumu, aniž o sobě dával vědět. Konečně zveřejnil měření adaptace jednotlivých fotoreceptorů ostrorepa na světlo a tmu (Light and Dark Adaptation of Single Photoreceptor Elements in the Eye of Limulus. J Cell Comp Physiol 1947; 30: 225–254; s McDonaldem) a pak teprve, po 10 letech odkladů, publikoval studii založenou na zjištění úbytku dráždivé aktivity v okolí drážděného okrsku sítnice ostrorepa. Pochopil, že silně osvětlené omatidium tlumí vzruchy ze svých slaběji osvětlených bezprostředních sousedů, takže nesou k mozku klamnou informaci o větším než skutečném rozdílu v osvětlení. Pochopil, že tento nález objasňuje poznatky Jana Evangelisty Purkyně i rodáka z Tuřan u Brna Ernsta Macha o simultánním kontrastu. Hartline tak objevil postranní útlum v sítnici jako prostředek ke zvýšení kontrastu a zostření vidění (Inhibition of Activity of Visual Receptors by Illuminating nearby Retinal Areas in the Limulus Eye. Fed Proc 1949; 8: 69).

V roce 1949 přijal Detlev Bronk úřad prezidenta Univerzity Johnse Hopkinse s podmínkou zřízení ústavu biofyziky, načež prvním profesorem oboru a přednostou nové laboratoře jmenoval Keffera. Ten koupil u Hydes nedaleko Baltimoru dům a dal mu jméno Turtlewood. V roce 1950 přišel psycholog z Brownu Floyd Ratliff, následovník Ernsta Macha ve výzkumu psychofyziologické podstaty subjektivních zrakových vjemů, do laboratoře na roční stipendium a Keffera už neopustil. S postgraduálním studentem biofyziky Edwardem Fordem MacNicholem a neurofyziologem z Bethesdy Henrym G. Wagnerem navázal Hartline na své předválečné pokusy, kdy zevními elektrodami snímal místní akční proudy v omatidiích ostrorepa, teprve nyní však díky mikropipetovým elektrodám poprvé zaznamenal nitrobuněčné generátorové poten­ciály sítnicových neuronů – elektrické potenciály účinkující jako generátory vzruchů šířených nervovými vlákny. Zjis­til, že frekvence vzruchů ve zrakovém nervu je přímo úměrná amplitudě generátorového potenciálu a ta kolísá s intenzitou světla, že tedy amplitudově modulovaný signál v sítnici je přeměňován v signál kmitočtově modulovaný, vhodnější pro přenos na dlouhou vzdálenost z oka do mozku (The Peripheral Origin of Nervous Activity in the Visual System. Cold Spring Harbor Symp Quant Biol 1952; 17: 125–141; s Wagnerem a MacNicholem).

V roce 1953 se Bronk stal prezidentem Rockefellerova ústavu pro lékařský výzkum v New Yorku a Keffera jmenoval profesorem neurofyziologie a přednostou tamní biofyzikální laboratoře. Hartline vzal s sebou Ratliffa, rodinu však nestěhoval a vracel se k ní o delších víkendech a svátcích do Turtlewoodu, na léto pak do letního sídla Krausových na břehu Frenchman Bay ve státě Maine. Zaměřil se na kvantitativní studium útlumových interakcí v oku ostrorepa. S Ratliffem vypracoval matematický model integračního působení nervové sítě při součinnosti fotoreceptorových jednotek, založený na přímých elektrofyziologických měřeních a jimi testovatelný – tzv. Hartline-Ratliffovy rovnice (Spatial Summation of Inhibitory Influences in the Eye of Limulus. Science 1954; 120: 781; s Ratliffem), vyobrazil uspořádání sítě (Inhibition in the Eye of Limulus. J Gen Physiol 1956; 39: 651–673; s Wagnerem a Ratliffem) a představil ji jako zprostředkovatele vzájemného působení (Inhibitory Interaction of Receptor Units in the Eye of Limulus. J Gen Physiol 1957; 40: 357–376; s Ratliffem). V roce 1962 zavedl do neurofyziologického výzkumu počítač, když k analýze dat použil první komputer v Rockefellerově ústavu – Control Data Corporation 160-A. Se spolupracovníky potom Keffer, po přeměně Rockefellerova ústavu v Rockefellerovu univerzitu jmenovaný v roce 1965 jejím profesorem, prokázal přiléhavost pojetí oka ostrorepa jako soustavy lineárních měničů (Enhancement of Flicker by Lateral Inhibition. Science 1967; 158: 392–393; s Ratliffem, Knightem a Toyodou).

V roce 1967 byl „za své objevy týkající se primárních fyziologických a chemických pochodů vidění v oku“ odměněn Nobelovou cenou za fyziologii nebo lékařství spolu s finským Švédem Ragnarem Arthurem Granitem, který prokázal význam útlumu v integračním působení sítnice a objevil trojí druh čípků s rozdílnou spektrální citlivostí, a s Američanem Georgem Waldem, který z oka ostrorepa extrahoval fotopigment, biochemicky jej určil a přímými metodami potvrdil platnost výsledků Kefferových spektrálních měření. Na slavnosti ve Stockholmu 10. prosince 1967 představil laureáty člen Nobelova výboru profesor Carl Gustaf Bernhard. Zdůraznil osobní přínos každého z trojice vzájemně nezávislých badatelů a připomněl „lehce rozvratný, ale krajně plodný zmatek“ Hartlineovy laboratoře i jeho práci vynikající „elegancí rozvrhu, odborností zpracování a jasností pojednání“ v „příkladně omezeném počtu publikací, z nichž každá je úhelným kamenem fyziologie smyslů“. Nobelovskou přednášku (Visual Receptors and Retinal Interaction. In: Les Prix Nobel en 1967. Stockholm: The Nobel Foundation 1969; 242–259; též Science 1969; 164: 270–278) měl Keffer ve Stockholmu 12. prosince 1967.

Vysoká pocta za příspěvek k výzkumu vidění přišla právě v době poklesu jeho přímé účasti na něm – ironií osudu pro zhoršování vlastního zraku při senilní makulární degeneraci. Stýskal si, že ztráta centrálního vidění je dost zlá sama o sobě, natož s předčasnou nálepkou senility v názvu choroby. Své newyorské pracoviště však v následujících 7 letech opustil jen v roce 1972, kdy jako „George C. Eccles Professor“ pobyl na Utažské univerzitě v Salt Lake City, načež jako „Detlev W. Bronk Professor“ setrval na Rockefellerově univerzitě do svého odchodu na odpočinek o dva roky později.

Drobný a zdánlivě křehký Keffer byl náruživý jachtař, horolezec i letec. Po sedmdesátce, kdy už trpěl ischemií myokardu, rozhodl se sjet konečně na raftu peřeje Velkého Kaňonu a se svou Beth je přes domluvy kardiologa zdolal. S přicházející osmdesátkou se záchvaty stenokardie množily a po jednom z nich Hartline ze 17. na 18. března 1983 ve Fallstonské všeobecné nemocnici nedaleko Turtlewoodu zemřel. Pohřben byl v rodném Bloomsburgu. Na Kefferovo přání věnovala Rockefellerova univerzita jeho památce místo tryzny koncert Stuttgartského komorního orchestru.

MUDr. Pavel Čech
Kabinet dějin lékařství 3. LF UK
Ruská 87, 100 00 Praha 10
e-mail: pavel.cech@lf3.cuni.cz