上海生科院发现亮暗光斑视觉后像的不对称性及其皮层下起源的神经机制
上海生科院发现亮暗光斑视觉后像的不对称性及其皮层下起源的神经机制
1 月 11 日，《神经科学杂志》在线发表了中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所王伟研究组题为《亮暗光斑视觉后像的不对称性与皮层下 ON 和 OFF 通路间的不对称性相互关联》的研究论文。视觉后像(Afterimage)是指较长时间注视视觉刺激后，当刺激消失或把目光及注视点移开到单色均一背景下如白帆布或白墙，人们常看到短暂并逐渐减弱的、与原视觉刺激极性相反的视觉图像残留的现象，故而称为后像(图 1)。视觉后像有正的或负的两种，是一种正常的视觉生理现象，也是探索视觉脑机制的一个重要窗口。
在皮层下视觉通路中，视网膜(retina)和丘脑外膝体 (dLGN) 存在由 ON 和 OFF 细胞组成的两个平行通路，它们分别编码亮度增加和减少的亮度变化信息。近年的研究发现人对视觉刺激的亮度变小比对视觉刺激的亮度变大更敏感，而且最近的电生理实验揭示视觉系统中 ON 和 OFF 通路对视觉刺激亮度变化信息的反应存在着不对称性。这些实验结果为解释视觉感知层面上的不对称性提供了神经基础。现实生活中，当我们盯着白色或黑色的视觉刺激一段时间后，在视觉刺激撤除后的一个短暂时间内可以感知到极性相反的视觉后像。因此我们的问题是：亮暗刺激产生的视觉后像之间是否也存在着不对称性?皮层下 ON 和 OFF 通路间对亮暗刺激撤除反应是否有不对称性呢?如都存在着不对称性，那么二者的不对称性是平行的吗?
王伟课题组的研究人员结合人的心理物理实验和视觉实验动物家猫丘脑外膝体(dLGN)单细胞记录实验，对上述问题进行了深入研究(图 2)。心理物理实验结果显示，暗光斑刺激(撤除)产生的视觉后像比亮光斑刺激(撤除)产生的视觉后像更强而且持续时间更久。在 dLGN 上的电生理实验结果显示，ON 细胞对暗光斑刺激撤除反应的发放率高于 OFF 细胞对亮光斑刺激撤除反应的发放率，并且 ON 细胞的反应比 OFF 细胞更持久。视觉实验动物外膝体电生理实验结果和人心理物理实验结果一致。通过对来自视网膜的 S-potential 的分析，研究人员发现上述的 ON 和 OFF 细胞对亮暗光斑刺激撤除反应强度的不对称性，其实在视网膜神经节细胞中就已经存在，但是在反应时程上的不对称性只在外膝体中存在。研究人员还发现 ON 和 OFF 细胞间反应强度的差别只存在于 X 型细胞中，而在 Y 型细胞中并不存在这种不对称性。此外，研究人员还发现 ON 和 OFF 细胞接收到的抑制性输入的不对称，可能导致了 ON 和 OFF 细胞对亮暗光斑刺激撤除反应的不对称性。
该研究首次揭示了亮暗光斑刺激产生的视觉后像在感知强度和持续时间上存在明显的不对称性，而且这种不对称性与皮层下 ON 和 OFF 细胞对亮暗光斑刺激撤除反应的不对称性相一致，支持简单的亮暗视觉后像皮层下产生的神经机制。
这项工作在王伟指导下，主要由博士生李辉完成。该工作得到国家自然科学基金(31571078，81601628)、“973” 项目以及神经科学国家重点实验室支持。
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