"神经元光栅"

知觉学习显著提高了猫初级视皮层神经元的对比敏感度

2010-06-04

这是周逸峰教授在知觉学习神经机制研究领域内的代表性成果之一。该研究工作由周逸峰教授和美国南加州大学的吕忠林教授（现已迁至俄亥俄州立大学）合作完成，2010年发表在《Current Biology》上。根据Web of Science的检索结果，该论文至今已被引用约40次。

在该研究中，研究人员首先训练两只猫学习光栅的方位辨别任务（详见图1）。

图1：研究中使用的光栅刺激及猫单眼完成光栅方位辨别任务的情形。研究中，屏幕上出现的光栅的方位是90±45°。猫需要辨别光栅的方位，并通过触压特定的装置完成任务。

学会任务以后，两只猫接受了长期的光栅方位辨别训练。研究人员仔细测量并比较了这两只猫训练前后光栅方位的辨别能力。结果发现，与训练前相比，训练后两只猫的空间对比敏感度都得到了显著的提升（详见图2）。这种提升在训练频率附近最为明显。这一现象与弱视患者和正常人的训练结果十分类似（更多关于弱视患者和正常人的训练情况，可见Zhou et al., 2006, Perceptual learning improves contrast sensitivity and visual acuity in adults with anisometropic amblyopia, Vision Research, 46(5):739-750以及Huang et al., Broad bandwidth of perceptual learning in the visual system of adults with anisometropic amblyopia, PNAS, 105(10):4068-4073）。

图2：猫训练前后空间对比敏感度曲线的变化情况。图中横坐标表示光栅的空间频率，纵坐标表示猫完成光栅方位辨别任务时的对比度阈值。两幅图分别代表两只训练猫。从图中可以看出，与训练前相比，训练后两只猫每一只眼对应的空间对比敏感度曲线均获得了显著的提升。其中，训练眼的提升幅度较大，非训练眼的提升幅度较小。图中箭头表示的是训练光栅的空间频率。

此外，研究人员还通过急性电生理学的研究方法评估了训练猫和普通猫初级视皮层内神经元的反应特性。通过对142个训练猫神经元和117个普通猫神经元反应特性的综合分析和比较，研究人员发现，训练猫两只眼对应的空间对比敏感度曲线均显著优于普通猫（详见图3）。其中，训练眼的表现比非训练眼的表现更好。与行为学数据类似，训练猫与普通猫神经元敏感度曲线的差异在训练频率附近最为明显。

图3：训练猫与普通猫初级视皮层内神经元光栅敏感度曲线的比较。图中横坐标表示光栅的空间频率，纵坐标是表征神经元对光栅敏感度的两个指标，分别为TC（A和B）和C₅₀（C和D）。其中，前者指神经元动作电位的发放数达到自发放数的1.44倍时光栅刺激对应的对比度；后者指神经元动作电位的发放数达到最大发放数的一半时光栅刺激对应的对比度。四幅图中，A和C显示的是第一只训练猫与普通猫的比较结果，B和D现实的是第二只训练猫与普通猫的比较结果。图中箭头表示的是训练光栅的空间频率。从图中可以看出，训练猫两只眼对应的初级视皮层神经元的敏感度曲线均显著优于非训练猫。其中，训练眼的表现比非训练眼的表现更好。

研究人员进一步分析了训练猫行为学空间对比敏感度与神经元对比敏感度之间的关系。结果发现，无论是训练猫的弱视眼还是非弱视眼，行为学空间对比敏感度与神经元对比敏感度之间均存在着显著的线性关系。这一结果强烈支持了“知觉学习改善了初级视皮层神经元对比敏感度”的假说。

图4：训练猫行为学对比敏感度与神经元对比敏感度之间的关系。图中横坐标表示的是通过行为学方法测量获得的对比敏感度，纵坐标表示的是与该空间对比敏感度对应的神经元（这部分神经元的反应最优频率在行为学空间对比敏感度曲线上与横坐标标示的对比敏感度相对应）的平均对比敏感度。图中左列（M）使用的神经元对比敏感度为TC，右列（N）使用的神经元对比敏感度为C₅₀。红色圆圈代表的是第一只训练猫的训练眼，紫色圆圈代表的是第一只训练猫的非训练眼，兰色圆圈代表的是第二只训练猫的训练眼，绿色圆圈代表的是第二只训练猫的非训练眼。从图上可以看出，在所有的情况下，训练猫的行为学对比敏感度与神经元对比敏感度之间均存在着显著的线性关系。

近三十年来，知觉学习引起了越来越多科学家们的兴趣。然而人们对其神经机制的了解还很少。该工作是探索知觉学习神经机制的少数研究之一，具有重要的科学意义。此外，周逸峰教授以前的研究（详见：Zhou et al., 2006, Perceptual learning improves contrast sensitivity and visual acuity in adults with anisometropic amblyopia, Vision Research, 46(5):739-750；Huang et al., Broad bandwidth of perceptual learning in the visual system of adults with anisometropic amblyopia, PNAS, 105(10):4068-4073）表明，利用高频光栅进行知觉学习训练可有效提升成年屈光参差性弱视患者的视力和空间对比敏感度。然而这种现象的生理学基础尚不明确。现在的这些研究结果提示，初级视皮层神经元功能的改善很可能是训练后弱视患者视力和空间对比敏感度提升的重要原因。从这个角度来说，该研究为知觉学习在弱视临床治疗中的大规模应用奠定了坚实的理论基础。

PubMed中这篇文章的链接：http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20451388