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시각의 신경생리학적 메커니즘을 분석한 공로로 G. 왈드, R. 그라니트와 함께 1967년 노벨 생리학·의학상을 공동 수상했다. 하틀라인은 1927년 볼티모어의 존스홉킨스대학교에서 의사자격을 획득한 후, 동 대학교 부속 국립연구심의회의 펠로로서 망막의 전기생리학에 관해 연굴르 집중하기 시작했다. 엘드리지 존슨 객원연구학자로서 라이프치히대학교와 뮌헨대학교에서 연구한 후 1949년 존스홉킨스대학교의 생물물리학과 교수 및 과장이 되었다.

1953년 신경생리학 교수로서 뉴욕 시의 록펠러대학교의 교수진에 합류했다.

하틀라인은 절지동물·연체동물 등 무척추동물의 망막에 대한 전기적 반응을 연구했다. 이는 이들의 시각계가 인간에 비해 훨씬 간단하고 연구하기 쉽기 때문이었다. 특히 대서양창게(일반적으로 투구게라고 함)의 눈에 대해 중점적으로 연구했는데, 감각수용기가 빛에 의해 자극받았을 때 수용기에 연결된 1개의 시신경섬유에 의해 전달되는 전기충격을 미세한 전극을 사용하여 최초로 기록했다.

그는 눈의 감각세포 하나가 자극되면 근처에 있는 다른 것은 억제되는 방식으로 감각세포가 서로 연결되어 있어, 대조를 증가시키고 모양을 더 뚜렷하게 지각하도록 한다는 것을 발견했다. 따라서 하틀라인은 망막에 있는 개개의 광수용기와 신경섬유들의 작용에 대한 상세한 이론을 제시했고 단순한 망막의 메커니즘이 어떻게 단계적으로 시각정보를 통합하여 구성하는가를 밝혔다.