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弱视的双眼视损害机制研究方法和进展

2010-08-05 11:02:08 来源: 《国际眼科纵横》

  【摘要】喜达国际_一搏国际_鸿博国际功能的损害常见于视觉发育期的弱视患者,喜达国际_一搏国际_鸿博国际:近年来对弱视双眼视觉损害机制的研究多关注斜视性弱视和屈光参差性弱视两种主要类型,从皮层神经元优势柱和双眼驱动细胞水平研究弱视者视敏度、对比敏感度、融合功能、立体视觉以及双眼协调运动各方面功能损害的细胞电生理和神经解剖学机制,企图用数学模型和公式来解释神经元对庞大的视觉信息的处理方式,以期全面、深入地了解弱视发生的神经机制,寻求弱视治疗和视功能重建的新途径。
  【关键词】双眼视;斜视性弱视;屈光参差性弱视;眼优势桂;皮层整合
  弱视是一种以异常空间视力和双眼视功能为特征的视觉系统异常,弱视损害的不仅是视力,还包括对比敏感度、轮廓识别、立体视、知觉和运动系统的协同作用等。双眼单视功能是指导弱视和斜视治疗方法和时机的重要指标,也是巩固疗效的最重要保证,治疗斜视、弱视的最高原则就是消除引起双眼视觉紊乱障碍,恢复双眼单视。
  正常的双眼视取决于视中枢对来自双眼的视觉信号的整合作用,产生双眼视的条件有知觉的、运动的和中枢的。临床上将它分成三级:(1)同时知觉,指双眼对物像有同时接受能力而不必完全重合。(2)融合功能,感觉融合指大脑能综合来自两眼的相同物像形成一个完整印象的能力,运动融合指两眼的反射性集散运动,以使两眼视网膜的对应点上的物像重合。(3)立体视觉,是一种独立的依靠双眼视差来编码的三维空间感受能力。视知觉和眼球运动系统通过复杂的协调过程来获得融像和立体视。
  弱视以斜视性弱视和屈光参差性弱视两种类型最为常见(占80%左右)。基础研究也多以斜视性弱视和屈光参差性弱视为主要研究对象。关于弱视双眼视受损的神经机制一直存在争议:(1)不同类型弱视者的双眼视损害机制是否相同?(2)异常视觉经验通过何种机制影响正常双眼视的发育?(3)弱视的双眼视觉损害的中枢定位。
  一、屈光参差性弱视和斜视性弱视的双眼视功能观察
  已有大量研究发现,屈光参差可以导致感觉融像和立体视下降。Wensveen等研究发现,屈光参差性弱视者的双眼视功能缺陷选择性地发生在高空间频率视信息的采样与编码。
  以往认为屈光参差产生了两眼视网膜上不同清晰度或大小不等的两个物像,使融合发生困难,从而引起双眼视下降。Simpson则认为屈光参差会导致中心抑制暗点产生,4D三棱镜试验不但能检查小角度斜视者,也能检查出屈光参差性弱视者的黄斑抑制暗点,立体视锐度及融像功能在有抑制暗点组和无抑制暗点组有显著性差异,中心抑制暗点可能是双眼视功能下降的原因。对于屈光参差引起弱视及双眼视功能异常的发病机制还有待进一步研究。
  斜视性弱视和屈光参差性弱视的重要区别是双眼视功能的损害程度不同。最近的一项大样本临床观察发现,立体视和运动整合两项双眼视功能测试通过率在屈光参差性弱视者为64%,在斜视性弱视者仅10%。不同于屈光参差性弱视的是,斜视性弱视者的立体视损害对低空间频率和高空间频率的视刺激同样敏感,发生机制可能与两眼间病理性视觉抑制导致的视信息采样频率低以及视网膜一皮层感受野拓扑结构异常导致的采样与编码异常有关。
  二、弱视的双眼视损害机制的基础研究
  (一)眼优势柱的研究
  眼优势转移是弱视最重要的皮层改变,一直是弱视神经机制研究的焦点。从心理物理学实验,视觉诱发电位检查,组织形态学,神经生理学到影像学方法,大量的研究支持弱视的发生与视皮层眼优势柱转移有关。跟优势柱指由左眼和右眼分别激活的皮层细胞各自分别聚集并交替平行排列,例如猫大多数视皮层神经元是双眼驱动性的,单眼优势细胞在脑光学成像上呈“岛状”排列,之间为双眼带。
  发育关键期内的异常视觉经验导致皮层眼优势柱的结构和功能重塑,表现为双眼驱动细胞较少,更多的皮层神经元只被非弱视眼驱动,出现眼优势转移,并且弱视眼驱动神经元的空间调制特性发生改变,表现为最适空间频率与空间分辨能力的下降、改变与弱视程度有关。单眼视觉剥夺较双眼视觉剥夺对初级视皮层神经元眼优势发育的损害更严重,反映从两眼传人的信号在皮层相互竞争投射区。
  视皮层优势柱重塑的生理生化机制还有待进一步研究。普遍的观点认为,代表某部分感受野的神经元群同时受到刺激可导致这些神经元同步化放电,突触之间的连接增加,突触兴奋性加强(long—term potentiation,LTP);而没有受到同时刺激或受到不相关联的刺激的神经元群之间的连接减弱,兴奋性减弱(long-term depression,LTD)。由于非弱视眼驱使神经元较弱视眼驱使神经元表现出更高的同步放电反应,代表非弱视眼的皮层优势柱间神经元间连接增加,兴奋性增高,而代表弱视眼的皮层优势柱受到抑制。这种神经元突触可塑性的长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)反应是构成视觉依赖性皮层中枢优势柱重塑的基础。
  近年来,在突触可塑性机制研究方面的重大突破是脉冲时间依赖的可塑性(spike timing—depend.ent plasticity,STDP)的提出,STDP的观点认为,突触重塑有时间一频率依赖特性,即依赖于视觉刺激信号的强度、频率、生物电信号在突触前和(或)后神经元水平触发的精确的相对时间。突触活动依赖性修饰的趋向和幅度决定于突触前输入和突触后靶细胞放电的相对时间,它成功地解决了神经活动如何改变神经回路的功能最终影响视觉、听觉等感知的问题,并且发现通过精确控制配对刺激的时间来决定突触前后活动的顺序,利用STDP机制可人为地改变视皮层神经元的特性,如方位选择性、感受野位置等。
  进一步的电生理研究发现,这种时间一频率依赖性突触重塑机制取决于细胞电压的非线性总和及钙离子通道门控的多种生化因子介导的信号传递机制。最近的一项研究发现,中枢抗抑郁药氟西丁通过视皮层神经元的LTP和LTD机制使成年大鼠的眼优势柱重塑恢复,从而为成年人的弱视治疗提供了新的研究前景。
  (二)视觉中枢双眼驱动细胞的研究
  虽然对眼优势柱的研究为异常视觉经验的影响提供了十分有价值的信息,但是单纯眼优势柱检测不能解释双眼视觉发育的许多其他方面。首先分别检测从一只眼的视觉输入不能表明正常双眼同时视条件下双眼间的抑制作用。其次,由于细胞对两感受野阈下视觉刺激存在总和作用,弱视视皮层眼优势柱的研究可能过高估计了皮层神经改变的程度。另外,无法直接研究依赖于双眼视觉信息整合和编码的立体视和双眼运动视觉的整合现象。
  分别来自两眼的视觉信号经视网膜、外侧膝状体直到初级视皮层才融汇到单个细胞,构成双眼驱动细胞。因而认为,首先是由初级视皮层双眼细胞对双眼视信息进行整合和编码并介导高级视皮层产生融合和立体视觉。
  1.线性和非线性总和调制作用
  双眼总和是指双眼同视较单眼视时视觉功能提高的现象。视觉总和的大小受许多因素影响,如刺激物的大小、范围,个体年龄和双眼视敏度的差异,通过双眼总和现象可研究双眼视功能障碍。
  临床上可见到以下几种双眼总和的情况:易化,总和,部分总和,抑制。国内外学者用对比敏感度总和率、图形VEP或静态动态随机点立体图视觉诱发电位总和率等指标来测定双眼总和情况。总和率大小反映双眼单视、双眼融合及双眼立体视觉功能。总和率>2提示双眼有易化,有立体视存在;总和率=2为完全总和,认为反映融合功能存在;总和率大于1但小于2为部分总和,认为双眼问或多或少有相互影响;小于1反映双眼间有明显抑制。正常儿童多表现为易化,完全总和;弱视儿童多表现为总和率下降。
  双眼对比敏感度总和率与双眼视功能密切相关,在存在正常双眼视功能个体或双眼视功能呈轻度异常的屈光参差性和斜视性弱视者,总和率显著增高,在没有双眼单视功能的屈光参差性和斜视者则显著降低,而屈光参差性弱视者总和率的下降表现为高空间频率选择性。在细胞电反应水平上也观察到斜视和屈光参差性弱视者的双眼总和反应幅度较正常降低,即总和率下降。在斜视组,双眼细胞尤其是复杂细胞出现明显的双眼间抑制,且斜视组抑制幅度较近视组明显。
  皮层双眼驱动细胞对来自双眼视信息的整合作用可能是产生总和现象的神经基础。Hubel and Wiesel(1959)首先观察到猫初级视皮层双眼细胞对两眼视觉信息的整合作用,当同时刺激此双眼驱动细胞在左右眼的感受野的ON(或OFF)亚区时,细胞的反应产生总和,而同时刺激一眼感受野的ON亚区和另~眼感受野的OFF亚区时,细胞的反应为相抵消。另一些研究发现,双眼细胞对来自两眼感受野的视觉信息的整合并不是简单的线性相加,而是表现出显著的非线性整合,如双眼细胞对不同对比度、空间频率、时间频率、方向的光栅刺激整合,最终产生细胞放电反应的易化,总和,部分总和或抑制,视皮层Vl、V2区参与空间知觉,是出现双眼融合和竞争的最初区域。
  2.编码视差信息产生立体视
  临床观察到水平视差(horizontal disparity)在双眼立体视的形成中有重要作用,这种水平位置差异需要皮层的双眼细胞对两眼的感受野的空间差异(spatial discrepancy)进行整合调制。这个设想已被Baflow等的工作证实,双眼驱动细胞在左眼和右眼的感受野通常有相似的结构和形状,但经常位于有轻微差别的空间位置和视网膜上相应位置。大部分双眼驱动细胞对一个分别落在两眼视网膜上不同位置的视觉刺激有更强的反应,即视差敏感性双眼驱动细胞。Pettigrew等使用双眼分视方法发现在猫、猴的视皮层Vl和V2区有两类双眼神经细胞:一类为分别对比注视平面“近”和“远”的视差刺激(即交叉视差和非交叉视差)敏感的神经元;另一类是对注视平面附近的很窄范围的视差刺激敏感的神经元,这些神经细胞又分为两类,一类是兴奋性调制神经元,另一类是抑制性调制神经元,即被在等视差圆附近的很小范围的视差所兴奋和抑制。
  后来的工作陆续发现在视皮层17、18、19区、21a、上丘、外上雪氏回区都有视差的感受细胞,视差敏感细胞在腹侧通路和背侧通路比初级视皮层更丰富。
立体视形成的另一种编码形式是相位(phase)差编码。这种编码更依赖于感受野的内在组织结构,即ON亚区和OFF亚区的拓扑结构。两种编码机制在立体视形成中有不同的作用。高级视皮层的视差敏感性双眼驱动细胞的缺失,可能是弱视尤其是斜视性弱视立体视觉损害的神经机制。
  3.对运动视觉的双眼整合现象
  双眼单视功能的发育是伴随着眼球运动系统的发育来保证两眼所成物像落在视网膜上相对应的位置。眼球运动系统的发育主要包括皮层运动知觉反应中枢和脑干区眼球运动控制中枢的发育。其中,集散控制系统接受融合和视差刺激并将双眼注视点对齐到不同的深径面;而视动性眼球运动系统接受融合和视差刺激,将双眼融合后的视物稳定地在视网膜上成像。
  大量实验结果支持弱视患者的运动觉皮层信号传递通路受损,且涉及与立体视功能相关的初级和高级视皮层整合中枢。细胞电生理实验也证实,运动刺激特异地激活存在于V1、V2、V3、MT和MST区,同时对方向和融像性视差敏感的双眼驱动细胞。心理物理学和功能磁共振实验发现,屈光参差性弱视和斜视性弱视者均存在对皮层视觉运动区功能缺陷以及对双眼运动觉整合作用的缺失,缺失程度均与立体视功能有关。弱视者的非弱视眼也存在与运动觉反应有关的MT、背侧通路功能改变,提示弱视者的运动觉缺陷涉及高级皮层中枢的双眼整合机制缺陷。
  一些研究观察到生后早期一段时期的正常视觉经验对双眼正位的发育很重要,认为眼球运动系统发育关键期时没有相协调的双眼视经验导致初级视皮层的双眼视觉发育异常,继而影响高级视皮层运动觉整合中枢,最终影响到运动知觉,集合,固视,眼球追随和(或)视动性眼球运动控制中枢的发育。而Watanabe等Ⅲo的在体电生理研究则认为,斜视者眼球运动的鼻颞侧不对称并不是由于初级视皮层神经元对方向信息的反应不对称,而是由于方向敏感性双眼细胞的缺失以及两眼间抑制,从而导致初级视皮层和V2、V3、MT、MST区到对侧脑干眼球运动控制神经元的投射通路发育异常。因而,脑干眼球运动控制神经元表现为只被单眼驱动且对从颞侧到鼻侧的运动刺激更敏感,提示眼优势柱转移和双眼驱动细胞缺失导致的双眼运动觉整合功能缺陷,可能是弱视患者眼球运动系统发育障碍的神经基础。
  三、小结
  近年来,各国学者运用现代高技术对弱视形成的心理物理、神经生理病理过程和变化特征进行的多方位探讨和研究取得了可喜进展。神经科学研究企图用各种数学模型和计算公式解释神经元对庞大的信息处理方式,对双眼视的中枢神经机制的研究主要集中在对眼优势柱和对双眼驱动细胞信息处理方式两种方法。少数关于眼优势柱和双眼视差之间关联的一些实验研究证实:细胞的眼优势柱特性和视差敏感特性在视皮层拓扑结构排列中均存在区域性的梯度变化,且二者的梯度变化方向相互垂直,推测神经网络可能结合单眼和双眼线索进行信息处理和编码。综上所述,弱视发生的双眼视研究使人们能够全面、准确地理解弱视发生的神经机制,对寻求弱视治疗和视功能重建的新途径有所帮助。

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文章摘要:弱视的双眼视损害机制研究方法和进展 ,李雷雷冲服口吐珠玑,国医治反照龙战玄黄。

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