David Hunter Hubel (1926–2013)

Úvod

V roce 1981 získali Nobelovu cenu za fyziologii nebo lékařství tři neurobiologové z amerických univerzit: rodilý Američan Roger Wolcott Sperry (v této rubrice jsme jej představili v ČLČ 4/2016), rodilý Kanaďan David Hunter Hubel a rodilý Švéd Torsten Nils Wiesel (1).

David Hunter Hubel přišel na svět 27. února 1926 ve Windsoru v kanadské provincii Ontario (2); jeho matka Elsie M. Hunterová i otec Jesse H. Hubel (3), chemický inženýr zaměstnaný u Windsorské solné společnosti, však byli Američané a David tak získal dvojí občanství: rodištěm kanadské, zápisem do matriky z vůle rodičů americké (2).

V roce 1929 se Hubelovi přestěhovali do Outremontu (2) na předměstí Montréalu v kanadské frankofonní provincii Québec. Chlapec tam v roce 1943 (4) absolvoval Strathconaovu akademii, na montréalské McGillově univerzitě pak vystudoval matematiku a fyziku a po dosažení bakalářského titulu v roce 1947 (1) byl přijat k dalšímu studiu fyziky. Ač nedotčen biologií, přihlásil se i na medicínu, byl rovněž přijat a rozhodl se nakonec pro ni (2).

Osudové setkání s neurofyziologií

Zpočátku se mu memorování každého svalového úponu příčilo (1), bavila ho jen biochemie. Ve druhém ročníku však v nadšení mozkem oslovil v montréalském neurologickém ústavu neurochirurga Wildera Penfielda tak výmluvně, že tento průkopník chirurgické léčby epilepsie a tvůrce kortikálního homunkula ho poslal k proslulému epileptologovi Herbertu Jasperovi a ten Davidovi nabídl letní zaměstnání v neurofyziologické laboratoři (2).

S doktorátem lékařství z roku 1951 zůstal Hubel na McGillu další tři roky, z toho rok na kolečku ve všeobecné nemocnici, rok jako rezident v neurologickém ústavu a rok jako Jasperův asistent pro klinickou elektroencefalografii; v přípravě na Jasperovy neurofyziologické semináře se tehdy osudově začetl do dvou článků z roku 1952, v nichž se Haldan K. Hartline a Stephen W. Kuffler zabývají kódováním smyslové informace v nervové soustavě (2).

V roce 1953 se v Montréalu oženil s absolventkou psychologie Ruth Izzardovou (1, 5), kterou poznal v univerzitním pěveckém sboru. Později se jim narodili synové Carl, Eric a Paul (4).

Mladý neurolog z baltimorské Univerzity Johnse Hopkinse Charles Luttrell tehdy z vděčnosti za výcvik ve čtení EEG zařídil Hubelovi neurologickou rezidenci v Baltimoru pro akademický rok 1954/55 u objevitele sloupcového uspořádání somatosenzitivní mozkové kůry Vernona Mountcastlea (2). Jako občan USA tam pak Hubel dostal povolání ke dvouleté vojenské službě ve washingtonském Armádním ústavu lékařského výzkumu Waltera Reeda (1).

V neuropsychiatrickém oddělení ústavu (6) byli jeho učiteli vynikající neuroanatomové Rioch a Nauta, neurofyziologové Fuortes a Galambos i znamenitý technik Henson. Pod jejich vedením se 29letý Hubel po půlroce (7) průpravy studiem flexorových a extenzorových reflexů u decerebrovaných koček konečně dostal k experimentální práci na svém vlastním projektu (2) – srovnávání tvorby akčního potenciálu jednotlivých neuronů zrakové oblasti mozkové kůry koček spících a bdících (6). Déle než další rok však trvalo (1), než vyvinul wolframovou mikroelektrodu způsobilou k průniku tvrdou plenou mozkovou (Tungsten microelectrode for recording from single units. Science 1957), než k jejímu upevnění v hlavě bdící a pohybující se kočky vyvinul hydraulický mikromanipulátor (Cortical unit responses to visual stimuli in nonanesthetized cats. Am J Ophthalmol 1958) a než vypracoval metodu záznamu aktivity neuronů kočičí zrakové kůry v odezvě na zrakové podněty (Single unit activity in striate cortex of unrestrained cats. J Physiol 1959).

Zkoumání zrakové kůry

Když při návratu v roce 1958 našel Mountcastleovo baltimorské pracoviště v přestavbě, pozval ho neurofyziolog Stephen W. Kuffler do své laboratoře ve Wilmerově oftalmologickém ústavu k jednoroční práci po boku Švéda Torstena Nilse Wiesela (6) [dále TNW] a s oběma se dohodl, že na jeho již ukončený výzkum funkční organizace sítnice navážou v pokračování zrakové dráhy (2). S oporou v Kufflerově poznatku, že gangliové buňky sítnice odpovídají na světlé nebo tmavé skvrny ve svém receptivním poli, začali Hubel a TNW studovat přetváření signálů z oka ve zrakové vnímání v mozkové kůře. Pokusné kočky s elektrodami implantovanými do mozku umisťovali před stěnu, na niž k vyvolání akčního potenciálu v jednotlivých neuronech primární zrakové kůry promítali skvrny různých velikostí. Po dnech marných pokusů už jen bezradně poskakovali, mávali rukama a místo skvrn předváděli kočkám obrázky fotomodelek; náhle – v okamžiku výměny diapozitivů – jedna buňka zareagovala. Tento první aktivovaný neuron zkoumali 9 hodin, než se ujistili, že jeho akční potenciál je vyvoláván pohybem tmavé linie hrany sklíčka po projekční ploše ve zcela určitém směru (4); změnami orientace podnětů pak dosahovali odezvy jiných neuronů podle orientační preference. První společný článek sděluje, že Hubel spolu s TNW objevil orientační selektivitu buněk primární zrakové kůry (Receptive fields of single neurones in the cat’s striate cortex. J Physiol 1959).

V roce 1959 přešel Kuffler se svou skupinou do Farmakologického ústavu Harvardovy univerzity (1). Tam v elektrofyziologickém výzkumu zrakové dráhy pokračoval Hubel s TNW na kočkách (2) a souběžně (počínaje společnou prací Receptive fields of optic nerve fibres in the spider monkey. J Physiol 1960) i na opicích druhů chápan pavoučí, makak rhesus a kotul veverovitý. Ve zrakové kůře přitom nalezl vertikální sloupcové uspořádání buněk s odezvou na podněty téže orientace (objevil orientační sloupce); mezi korovými neurony zjistil početní převahu binokulárních buněk, u nich pak objevil okulární dominanci, stanovil její 7stupňové hodnocení od kontralaterální přes smíšenou po ipsilaterální a nalezl sloupcové uspořádání segregovaných vstupů střídavě z levého a pravého oka (objevil sloupce okulární dominance). Podle typu receptivního pole roztřídil neurony zrakové kůry na jednoduché buňky s antagonistickými oblastmi excitace a inhibice a předvídatelnou odpovědí na nehybné i pohybující se skvrny různých tvarů a komplexní buňky s úlohou sumace a integrace příjmu z mnoha jednoduchých buněk (Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cat’s visual cortex. J Physiol 1962). Neurony s nejsložitějším chováním později vyčlenil jako hyperkomplexní buňky nižšího a vyššího řádu (Receptive fields and functional architecture in two nonstriate visual areas (18 and 19) of the cat. J Neurophysiol 1965; všechny uvedené práce publikovány spolu s TNW).

Vědomí neolivnitelnosti trvalých poruch zraku odstraněním vrozené monokulární katarakty přivedlo oba badatele ke studiu vývoje zrakové kůry koťat. Hubel u nich spolu s TNW zjistil orientační selektivitu mnoha neuronů primární zrakové kůry krátce po otevření očí a usoudil, že alespoň některé musí být propojeny už předem. Ve zrakové deprivaci odhalil původ degenerace spojů zrakových neuronů, když při několikaměsíční monokulární deprivaci po sešití víček novorozeným koťatům nalézal redukci odpovědí i anatomické změny pouze u neuronů přijímajících informace z deprivovaného oka jak v nucleus geniculatus lateralis (Effects of visual deprivation on morphology and physiology of cells in the cat's lateral geniculate body. J Neurophysiol 1963), tak v primární zrakové kůře (Receptive fields of cells in striate cortex of very young, visually inexperienced kittens. J Neurophysiol 1963). Zjistil, že monokulární deprivace hned od narození vede po 2–3 měsících trvání k nevnímavosti vůči stimulaci deprivovaného oka, kdežto následuje-li po 1–2 měsících normální zrakové zkušenosti, uškodí méně (Single-cell responses in striate cortex of kittens deprived of vision in one eye. J Neurophysiol 1963). Prokázal, že binokulární deprivace snižuje specificitu receptivních polí neuronů kůry pro orientaci a směr pohybu (Comparison of the effects of unilateral and bilateral eye closure on cortical unit responses in kittens. J Neurophysiol 1965). Rovněž prokázal, že strabismus snižuje podíl binokulárních buněk (Binocular interaction in striate cortex of kittens reared with artificial squint. J Neurophysiol 1965; všechny uvedené práce publikovány spolu s TNW).

V roce 1965 byl na Harvardu jmenován profesorem fyziologie (3) a přednostou fyziologického ústavu. Rok nato ale Kuffler přetvořil své oddělení farmakologického ústavu v samostatný ústav neurobiologie, první v USA, a Hubel se k němu hned vrátil na plný úvazek ve výuce i výzkumu (7). Ve zrakové kůře makaků a chápanů pavoučích spolu s TNW nalezl soustavy sloupců a 6 horizontálních vrstev, z nichž povrchní i hluboké sestávají z komplexních a hyperkomplexních, většinou binokulárních buněk, kdežto ve středních vrstvách převažují jednoduché monokulární buňky (Receptive fields and functional architecture of monkey striate cortex. J Physiol 1968). Jako profesor neurobiologie od roku 1968 (3) pak spolu s TNW u koťat s monokulární okluzí určil kritické období plasticity okulární dominance mezi počátkem 4. týdne a koncem 3. měsíce (The period of susceptibility to the physiological effects of unilateral eye closure in kittens. J Physiol 1970).

Ve zrakové kůře makaků zjistil, že orientační sloupce jsou spíše plátky převážně z komplexních buněk (Sequence regularity and geometry of orientation columns in the monkey striate cortex. J Comp Neurol 1974, s TNW). Pro okrsek primární zrakové kůry se sadou orientačních sloupců všech orientací a sloupců okulární dominance pro levé a pravé oko zavedl termín hyperkolumna (Uniformity of monkey striate cortex: a parallel relationship between field size, scatter, and magnification factor. J Comp Neurol 1974; všechny uvedené práce publikovány spolu s TNW).

Nobelova cena a další výzvy

Když byla v roce 1981 polovina sumy Nobelovy ceny za fyziologii a lékařství přiřčena Rogeru Sperrymu z Caltechu za výzkum funkční specializace mozkových hemisfér, dělili se o druhou polovinu Hubel a TNW „za své objevy zpracování informací ve zrakové soustavě“ (1). Nobelovskou přednášku (Exploration of the primary visual cortex, 1955–78. Nature 1982) měl Hubel ve Stockholmu 8. prosince (6) a dva dny nato ho profesor fyziologie Královského karolinského institutu David Ottoson představil švédskému králi (1). Laureátům tu velmi chyběl Steve Kuffler − velký mentor byl už rok po smrti (8).    

Minulosti však patřila i dosud nerozlučná dvojice: David i Torsten pokračovali s jinými spolupracovníky. Hubel hned v roce 1981 s Margaret S. Livingstoneovou (1) objevil v primární zrakové kůře čepy z orientačně neselektivních buněk vnímavých vůči barvě a mezičepy z buněk vnímavých vůči orientaci podnětu. Studovali pak společně úlohu čepů ve vnímání barev (Anatomy and physiology of a color system in the primate visual cortex. J Neurosci 1984) a zpracování tvaru, barvy a prostoru ve zrakové kůře (Segregation of form, color, and stereopsis in primate area 18. J Neurosci 1987).

Na sklonku více než půlstoletého působení na Harvardově univerzitě vedl seminář pro první ročník až do ledna 2013 (9). Po klavíru a flétně (1) pak v 87 letech začal studovat hru na hoboj, než se v úbytku sil uchýlil k italštině (10). V únoru 2013 však ztratil svou ženu Ruth a ještě téhož roku ji následoval: 22. září 2013 zemřel doma v Lincolnu ve státě Massachusetts na selhání ledvin (5).

Adresa pro korespondenci:

MUDr. Pavel Čech

Kabinet dějin lékařství 3. lékařské fakulty UK

Ruská 87

100 00  Praha 10 – Královské Vinohrady

e-mail: pavel.cech@lf3.cuni.cz