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中国科大视觉研究实验室的历史和现状

周逸峰    寿天德

        中国科大的视觉研究历史可以回溯到“文化大革命”(1966-1976)后期,即邓小平同志在1973年复出后,全面整顿和恢复国内几乎完全被破坏的经济、文化和教育事业的阶段。这个时期,部分大学已开始招收“工农兵”学员,“复课闹革命”了。这时,科大物理系的生物物理教研室的部分教师开始考虑做些科研活动,为将来的事业发展作些什么。当时对针刺麻醉的机理研究几乎是唯一的被当局所许可的研究项目,所以这些教师便用一台旧的电子管脑电图仪开始了初步的电生理探索针刺穴位特异性的尝试。

        为学习电生理学实验的经验,寿天德被派往中国科学院上海生理研究所进修视觉电生理。在该所视觉组的杨雄里实验室工作的5个月里,他们在视网膜电图记录中,发现鲫鱼视网膜敏感度在明适应过程中的两种变化现象(杨雄里、寿天德、李震元等(1978) 鲫鱼视网膜敏感度在明适应过程中的变化.生物化学与生物物理学报.10,15-26)。寿回科大后,和大家一起从安徽省科委申请到研究经费,开始了对“耳根环麻醉镇痛原理和临床应用”的研究工作,并取得了一定的成果,后来获得了中国科学院重大科研成果奖(1978)和安徽省重大科研成果奖(1978)。

        1976年,“四人帮”垮台,但积重难返,科学的春天直到1978年才姗姗来迟。此时寿天德等认为,“文革”期间全国上下都搞针刺麻醉镇痛的局面是不得已而为之,现在科学的春天来临了,作为中国科大这样的学校,应该选择自己科研发展的长期方向,才能为国家的科学、教育的复兴做出应有的贡献。为此,他们对今后长期研究方向进行了一系列调研,包括特别邀请了中国科学院上海生理所的视觉科学家刘育民、杨雄里、李朝义等来合肥访问和做学术报告,介绍当时国际视觉研究的现状、重大进展和发展趋势。同时,对这些报告做了录音和文字整理,并在事后进行了充分的研讨。最后决定,将视觉研究作为中科大生物物理专业发展的长期方向。方向既定,便立即决定派阮迪云到上海生理所(李朝义实验室)、张达人和薛晋堂到北京生物物理所(分别在王书荣和刁云程实验室)进修视觉生理学和生物物理学实验研究。同时,派陈霖到北京生物物理所(汪云九实验室)进修生物控制论和计算神经科学。七十年末的这些有力的举措为科大的视觉研究发展奠定了坚实的人才基础。

        1979年开始,中国的大门终于向世界开放了。经过国家的考试,寿天德于1980年春节后被中国科学院选派往美国西北大学(Northwestern University)生物医学工程中心的Enroth-Cugell教授实验室进修视觉中枢电生理学。随后几年间,陈霖被选派到美国Univ. California at San Diego,阮迪云到Univ. Houston,张达人到英国Oxford Univ.,薛晋堂到Univ. California at Berkeley 进修,从事视觉的实验心理学和视觉神经生理学研究。他们在国内时已经有了较好的视觉科研基础,在国外著名的实验室工作(两年以上)中,不仅进一步得到了严格的科学研究的训练,而且在视觉研究的前沿获得了不少成果,因此回国后对科大视觉研究的发展起了关键的作用。尤其突出的是,年轻的讲师陈霖在美进修期间,在Science上独立地发表了题为“Topological structure in visual perception”(1982, Chen),为科大、也为国家争得了荣誉。他后来因此1985年被科大破格晋升为教授。

视觉研究实验室简介

        1982年寿天德首先回国,在当时艰苦的条件下,在科大建立了视觉研究实验室,确定以研究视觉信息处理的中枢机制为主要的研究方向。他和同事们用细胞外记录电生理方法,结合微量电泳、形态学方法研究猫视网膜神经节细胞、丘脑外膝体细胞和视皮层细胞的视觉感受野反应特性;同时也研究视觉功能发育,以及急性眼内压升高时的视觉功能变化等问题。他和阮迪云、张达人、薛晋堂以及他的第一个研究生周逸峰,用简陋的仪器包括自己制作的视觉刺激器和微电极拉制器,进行了整体动物的中枢电生理实验。1986年在Exp. Brain Res.上发表了科大第一篇在国际脑科学学术刊物上的文章,报道了猫外膝体神经元感受野的方位倾向性呈现指向视网膜中心区的“向心规律”。文章发表后,索取文章单行本的信件逾100份,来信人包括Torsten Wiesel 在内,并被广泛引用。从此,开始了科大视觉实验研究的历史。

        与此同时,科大开始了培养视觉神经科学人才的工作。自1982年开始,科大就首先开设了本科生《神经生理学》课程并编写了相应的教材,这在当时国内影响很大。现在很多有成就的中青年科学家在回忆自己成长过程时均提到此书,相关课程己于1995荣获科大首批优秀课程奖。此后以视觉研究实验室为主又开设了《视觉信息处理原理》、《From Neuron to Brain》、《神经发育原则》、《视觉神经科学》等等。以后经过多年努力,先后申报获得了生物物理专业的硕士(1989)、博士学位授予权(1993)。20多年来为我国培养了大批脑科学方面的,特别是视觉神经科学方面的人才。

        1987寿天德去美国犹他大学Audie Leventhal教授实验室从事有关视觉系统皮层下方位、方向选择性的合作研究,开始了双方长达20年的合作关系。视觉系统处理的基本信息包括:亮度、颜色、形状、运动(方向、速度)和立体视觉(深度或三维)等,与形状和运动知觉有关的方位、方向选择性是视觉系统最重要的功能之一。自60年代初 Hubel和Wiesel的先驱工作以来,人们通常认为高等哺乳动物的视觉方位、方向选择性主要起源于视皮层细胞, 是视皮层细胞的特有功能。视觉研究实验室和Leventhal教授实验室的合作研究工作表明,视觉皮层下细胞的方位、方向敏感性是客观存在的,且对视皮层细胞很强的方位、方向选择性和方位功能柱的形成有一定的贡献。视觉研究实验室在丘脑外膝体细胞的方向、方位敏感性方面做出了许多有独创性的工作,在国内外核心刊物发表论文二十余篇,其中三篇论文发表在Journal of Neuroscience上,发表后引起了国际上的广泛兴趣和重视,主要文章已被国际同行引用200余次。该工作于1997年获中国科学院自然科学奖二等奖,获奖人是视觉研究实验室的寿天德、周逸峰、胡兵、李祥瑞。

        视觉研究实验室从1984年开始还研究了眼内压升高对视觉系统功能和形态影响的研究,他们发现与慢性眼内压升高时相反,猫Y型视网膜神经节细胞和外膝体细胞对短时程眼内压升高比X型有更高的耐受性等有意义的实验结果,在这一研究方向发表核心刊物论文7篇,其中三篇发表在视觉研究和眼科领域权威刊物IOVS上。

        2000年,科大校友、美国南加州大学心理学系的吕忠林教授来访,开始了双方的长期合作关系,吕忠林教授与视觉研究实验室周逸峰合作于2001年申请到了国家杰出青年基金(B类)资助,开展有关知觉学习神经机制的研究工作。在视觉研究实验室长期从事有关弱视研究和吕忠林教授长期从事知觉学习研究的背景下,双方合作开创了弱视认知损害机制及可能的恢复途径的研究方向,从理论和实践上探讨用知觉学习原理治疗成人弱视的方法。在顺利完成国家杰出青年基金(B类)的基础上,双方合作申请的项目“弱视认知损害机制的研究”得到了国家基金委重点项目资助。从2006年以来双方合作在该研究方向发表研究论文5篇,包括PNAS和Journal of Vision各一篇及Vision Research三篇。这些工作对目前广泛接受的一个观点提出了挑战。一般认为,在发育关键期以后,视觉系统几乎不再具有神经可塑性,因而超过关键期的儿童和成人弱视几乎是不可能治疗的。我们的工作表明大龄儿童弱视和成人弱视患者的视觉系统具有明显的可塑性,因而知觉学习可以显著改善大龄儿童和成人弱视患者的视力。本研究方向培养博士三名(黄昌兵,徐鹏景,仇祝平)。

        从2002年起,视觉研究实验室与Leventhal教授实验室的合作研究进入了一个更为深入的新阶段,视觉研究实验室承担为了美方NIH项目的子课题,与中科院昆明动物所马原野研究员一起合作从事有关哺乳动物视觉系统衰老的神经机制及可能的延缓途径的研究,2005年又合作申请到了国家基金委重大国际合作项目资助,2003年以来合作发表国际核心刊物论文8篇,包括SCIENCE、Cerebral cortex 和Neurobiology of Aging各一篇,其中发表在SCIENCE上的论文被国际权威评估体系“Faculty of 1000 Biology”入选,列为“必读”;发表在Neurobiology of Aging上的论文被科技部中国科学技术信息研究所评选为第一届“中国百篇最具影响优秀国际学术论文”之一。该工作从单细胞水平研究老年猴、老年猫视皮层细胞的功能衰退,探索了老年猴视皮层异常可能的恢复途径,研究结果加深了对哺乳动物视觉系统衰老神经机制的理解,对于延缓由老龄化所引起的感觉、运动和认知衰退有一定的理论意义和应用前景。本研究方向培养博士三名(华田苗,余山,汪浩)。

        视觉研究实验室成立以来共承担各类研究课题30余项,总经费800多万元,发表国内外核心刊物论文100余篇,其中国际核心刊物论文60余篇,被国际同行引用400次以上。曾获得中国科学院自然科学二等奖和一些个人奖项。开设了五门以上课程,曾荣获科大首批优秀课程奖。共指导学士论文50余篇,硕士论文18篇,指导或合作指导博士论文21篇,另有在读硕士生、博士生各11名。本实验室毕业的研究生中,周逸峰(科大研究员)、韩世辉(北大教授)、胡兵(科大教授)、王伟(上海神经科学研究所研究员)、杨昱鹏(科大教授)已成为国内视觉研究领域的学术带头人,俞洪波也即将回复旦大学任教授。

中国科学技术大学视觉研究实验室大事记

1978年确立将视觉研究作为中科大生物物理专业发展的长期方向,开始选派教师到中国科学院相关实验室进修;

1982年寿天德在科大建立了视觉研究实验室;

1983年陈霖在中科大建立与视觉密切相关的认知心理学实验室;

1985年独立地培养了首位硕士周逸峰(学位由中科院上海生理所授予),也是生物系培养的首批硕士之一;并在1991年被评为“做出杰出贡献的中国硕士学位获得者”;

1986年在Exp. Brain Res.上发表了中科大视觉研究领域第一篇国际学术刊物论文;

1988年获国家基金委重大项目子课题资助;

1989年国家学位委员会批准科大以视觉神经生物学为核心的生物物理硕士学位点;

1991年周逸峰获中科大视觉研究实验室与美国犹他大学联合培养博士学位,是生物系首位博士学位获得者;

1993年国家学位委员会批准科大以视觉神经生物学为核心的生物物理博士学位点;

1997年寿天德调离中科大到上海复旦大学工作,建立该校脑科学研究中心并担任主任,科大视觉研究实验室由周逸峰负责;

2001年美国南加州大学心理学系吕忠林教授与中科大视觉研究实验室合作获得国家杰出青年基金(B类)资助,开始了有关视觉知觉学习机制及弱视认知损害机制的研究;

2002年在生物物理博士学位点的基础上,以神经生物物理为核心的生物物理专业被批准为全国重点学科;

2002年与美国犹他大学Leventhal教授合作进行有关哺乳动物视觉系统衰老机制的研究,获NIH子课题及国家基金委重大国际合作项目资助;

2005年“弱视认知损害机制的研究”获国家基金委重点项目资助;

2007年视觉研究实验室在“Neurobiology of Aging”上发表的一篇论文被科技部中国科学技术信息研究所评选为第一届“中国百篇最具影响优秀国际学术论文”;

2008年有关弱视研究的一篇论文以视觉研究实验室为第一单位发表在美国科学院院刊(PNAS)上;


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