视皮层神经元感受野方向性实验的探究-北大生思概期末论文

视皮层神经元感受野方向性实验的探究
摘要简要介绍了相关的知识和探索过程中所进行的实验，并以Blakemore等人以猫为材料对视皮层输入异常视觉的实验为主线，探究了视皮层神经元对外界影响的适应性变化，并主要针对横（纵）条纹光刺激对视皮层的影响实验提出了结果讨论与对实验的完善。

关键词视皮层感受野方向性异常视觉经验适应性变化
背景知识
1.哺乳动物（以猫为例）视觉系统
简单地说，由眼、皮层下中枢（外侧膝状体、上丘等）、视皮层及贯穿其间的神经通路组成，外界刺激先在视网膜上成像并由节细胞产生冲动，继而由左右视神经在视交叉相遇并投射至相应外膝体（其中鼻侧神经投至对测，而颞侧神经投至同侧），再经外膝体到达大脑皮层的初级视皮层（17区，纹状皮层）。

此后还有更高级皮层参与的与视觉有关的神经活动。

各种神经细胞有其感受野，只对特异的刺激有反应，且反应强度不同。

本文主要对视皮层神经细胞的感受野及其可塑性进行探讨。

2.节细胞、外膝体、视皮层细胞的感受野
（1）节细胞感受野（Kuffler, 1953）
猫的视网膜节细胞有两种感受野：开光（on）中心区和关光(off)中心区，都由圆形的中央区和环形外周区组成。

因此，视网膜神经节细胞能检测反差, 例如图象边缘。

（2）外膝体细胞感受野朝向（Hubel. D. H, Wiesel, T. N, 1962）
外膝体细胞和节细胞一样具有开光（on）中心区和关光(off)中心区。

不同的是，外膝体细胞感受野对视网膜不同区域明暗差别更灵敏。

（3）皮层细胞感受野(Hubel, D. H, Wiesel. T. N, 1970)
皮层分为简单、复杂和超复杂细胞（hypercomplex cells），对光信号刺激均具有方向选择性。

简单细胞的感受野也分成开光（on）中心区和关光（off）中心区，但两区分界线不是圆而是直线，其最佳刺激是有一定朝向和位置的线条。

复杂细胞也要求有一定朝向的线条刺激，但其感受野无开光区、关光区之分，且不要求刺激有精确位置。

超复杂细胞的感受野由中央兴奋区和侧旁抑制区构成，要求刺激有一定的朝向和运动方向，还会要求线条有端点或拐角等（而非极长的直线）。

17区主要是简单细胞，也有复杂细胞；18区中90%是复杂细胞，其余为超复杂细胞；19
区超复杂细胞则占一半。

3.检测单个神经元对视觉刺激反应并测绘感受野的方法
注射使动物瘫痪, 将屏幕置于适当距离，以使屏幕上的图像恰好投射到动物视网膜。

然后将微电极插入视中枢，即可检测单个神经元对视觉刺激的反应, 进而在屏上描绘出该细胞的感受野。

4.视皮层发育关键期（Hubel. D. H, Wiesel, T. N, 1962）
正常视觉在动物出生后的发育中形成，正常视觉经验对其形成必不可少。

如得不到正常视觉刺激，视皮层神经元会受到严重损害。

如在幼猫出生几天尚未睁眼时，把单侧眼睑缝合使之无法得到视觉输入直到一两个月后再打开，则其实验眼已丧失视觉功能。

电生理记录表明，变化主要发生在视皮层，此时只有极少数细胞能被实验眼兴奋。

但对成年猫进行同样实验，则无明显影响。

1 异常视觉输入对视皮层影响的实验
通过人为的异常视觉输入实验，检测动物皮层神经元的功能变化，进而对其原因进行探讨，并设计新的实验思路。

1.1 横纵条纹分别刺激双眼（Hirsch. H. V, Spinelli. D. N, 1970）
使新生猫两眼分别接受横条纹和竖条纹光刺激，10到12周后对其进行检查。

在23个有狭长形刺激感受野的皮层细胞中，除了未能进行研究的2个以外，21个均只接受单眼信号，即单眼性的（monocular）；而在普通猫中仅有10%到20%仅受单眼调控。

并且，单侧眼只能激发单一方向感受野的视皮层；而在正常猫中所有方向的感受野均可被双眼驱动。

另外，一些感受野较普通猫明显增大。

Hirsch和Spinelli对其的解释是，环境刺激可以使视皮层细胞的感受野分配发生相应变化，但不同的刺激是否是发生不同变化的必需因素尚不明确。

解释与分析：由于视皮层神经元的感受野具有特异性，一个神经元能接受的刺激范围很小，只有特定方向的刺激能对其产生支配作用。

因此，当双眼的视觉信号输入变得具有方位特异性以后，单一神经元只可能接受单眼的特异性信号，即是单眼性的。

这证明了视皮层感受野物象识别的极大特异性。

1.2 横（纵）条纹光刺激对视皮层的影响（Colin Blakemore，Grahame F. Cooper,1970）
2只新生猫被置于黑暗环境中，从2周龄起每日分别接受5小时的横条纹或竖条纹的视觉输入。

5周后，也是视觉剥夺导致生理学蜕变的“关键期（critical period）”（Hubel. D. H, Wiesel,
T. N, 1962）之后，猫被带入复杂环境中进行实验观察。

最初它们表现为全盲，但10天后就可以依靠视觉进行跳跃等活动。

然而它们的视觉并非与正常猫相同，它们对于与实验时曾接受刺激垂直的另一方向的视觉刺激毫无反应，而对于与之同向的视觉刺激反应良好。

7.5月龄时进行的神经生理学实验，表明实验猫的视皮层神经元仅对接受过视觉刺激的方向的刺激有反应，且反应灵敏。

在研究的125个来自两只猫的皮层神经元中，约75%明显接受双眼刺激（binocular），这一点与正常猫毫无差别。

然而，神经元感受野的方向性很不正常，几乎仅对此前接受刺激的相应方向有反应且反应灵敏（图表1）。

图表1（引自Colin Blakemore，Grahame F. Cooper, 1970）125个神经元最佳感受方向图。

可见均在水平（左）或竖直（右）轴的70°以内，且仅有12个在45°之外。

Blakemore等人的解释是：早期生活中的视觉经验显然影响了动物大脑。

在实验中没有发现明显的“沉默”脑区与丢失的视皮层功能柱想符合，所以更可能的是视皮层神经细胞可以改变其感受野最佳方向，使之与环境输入相适应。

解释与分析：由于实验是对双眼同时进行的，所以双眼竞争是平等进行，二者输入信号的同类，使视皮层仍保持正常状态下的双眼之间的平衡。

然而，由于异常视信号的输入，视皮层发生变化，“关键期”（Hubel. D. H, Wiesel, T. N, 1962）之后仅能对早期接受过的刺激产生反应。

这里可能有两种假设机制：
a.视皮层神经元能改变其感受野最佳朝向以适应环境；
b.只有感受野朝向与环境刺激相同相近时，才能保持正常功能，其余神经元因不使用而废置。

Blakemore等在文中支持前者，我也认为如此，因为：
○1从基因角度考虑皮层神经元有此遗传学基础；
○2视系统尚未成熟，要经过“关键期”各级神经原之间才建立起完善联系。

通常认为视皮层对
线形的感受野建立在膝状体的同心圆感受野基础上，因此只要皮层神经元改变建立联系的方式，即可改变后感受野；而“关键期”结束前联系的构建可以进行。

○3感受野的改变涉及到神经分子生物学内容，但这完全是可能的，在此不作详述。

然而此实验并不能确定两种假设的正误，还需进一步实验。

已知在“关键期”（Hubel. D. H, Wiesel, T. N, 1962）双眼封闭、进行视觉剥夺后，动物的神经联系不能正常构建，皮层细胞表现为大量失去对刺激的反应能力。

若假设b成立，则皮层应表现与双眼封闭相似，有大量失去反应能力的神经元。

现设计实验如下：
两组猫A、B、C。

A组为实验组，在出生5周内接受单一水平（或竖直）光信号；B、C 为对照组，其中B组在睁眼前将双眼封闭，C组在正常环境中饲喂。

待5周龄时将其瘫痪麻醉用微电极测试视皮层神经元的的反射。

若发现A组与C组显著不同（A有大量失去反射能力的神经元，而C没有或极少），而与B都有大量失去反射能力的神经元，则说明假设b成立；反之A若与C相似而与B显著不同，则说明假设a成立。

另外，还可以用同位素标定法标定部分神经元，经过一段时间异常视觉刺激之后观测有无功能的适应性。

1.3 早期视觉影响视皮层发展的时间（Colin Blakemore, Donald E. Mitchell, 1972）
A猫为对照组缝合双眼眼睑，B、C、D、E、F、G为实验组置于无光环境，在图表2所示日期每天将动物置于横条纹环境下一段时间。

图表2（引自Colin Blakemore, Donald E. Mitchell, 1972）实验猫的视觉经历。

其后进行电生理学处理，了解单个神经元的最佳感受方向，实验结果如图表3
图表3实验猫视皮层的最佳感觉方向（Colin Blakemore, Donald E. Mitchell, 1972）。

其中实验猫A与其它有显著区别
由图可见：
（1）在双眼视觉剥夺的A中，有很多“视觉无反应型(Visually-unresponsive) ”以及“无方向型(Non-oriented) ”细胞；
（2）只接受过1h光刺激的B与A相比已有显著差异：皮层神经元仅对很小方向范围的刺激有显著反应；少数反应范围大的细胞则具有未成熟特征。

（3）B与C、D、E、F、G之间差异很小。

解释与分析：A与其它比较差异极显著，可知视觉经验对皮层发育有显著影响。

而B、C、
D、E、F、G比较差别很小，可知视觉经验影响视系统发育的关键期很短。

1.4 移动光点刺激对视皮层的影响（Richard C. Van Sluyters, Colin Blakemore, 1973）
1号猫每天仅接受2h黑暗背景中0.5cm的前后移动的光点刺激，在3至10周龄中共接受80h；2号猫则是相同位置1.3cm的移动光点，在3至8周龄共接受52h。

随后进行电生理实验测试神经元特性，Sluyters和Blakemore对其说明如下：
依据线形刺激的反应可将视皮层神经元分为5类：○1“方向选择型”（Orientation-selective）○2“方向偏好型”(Orientation-bias)○3“无方向型”(Non-oriented)○4“纯方向选择型”(Pure
direction-selective)○5“视觉无反应型”(Visually-unresponsive)
异常实验现象：相当比例“对视觉有反应的细胞”（Visually-responsive），对移动的与曾看过的大小相近的点，比对大的轮廓有相同甚至更强的反应。

因此许多“无方向型”(Non-oriented)更偏好任意方向运动的点，而非长线条。

“纯方向选择型”(Pure direction-selective)也更偏好在其最佳感受方向上的运动的点。

多数“方向选择型”（Orientation-selective）和“方向偏好型”(Orient ation-bias)也对最佳感受方向上移动的点比直线有更强反应。

作为对照，3号猫是自然状态下养至5.5周时进行电生理实验的，而4号在3至7周龄仅接受了总计49h的竖直条纹视觉刺激，它们有更大比例的“方向选择型”（Orientation-selective）。

这说明这种异常现象的出现并不是由于猫的年龄小，或者出生后前三周内无光的特殊环境所致。

对于长的直线边界的早期视觉经验，似乎是建立并维持完整而正常得视皮层的基础。

接受大的光点刺激的2号猫有更多的占52%的“方向选择型”（Orientation-selective）以及较少的占14%的“无方向型”(Non-oriented)，而获得看小光点的机会的1号猫分别是23%和33%。

2个参照动物3号、4号都有较大轮廓的视觉经验，它们的“方向选择型”（Orientation-selective）分别占93%和100%。

Sluyiters和Blakemore据此认为，发展中的视皮层可能有对视环境作出适应的能力。

图表 4 发育中接受光点刺激的2只猫与对照组2只猫的皮层神经元分类（Richard C. Van Sluyiters, Colin Blakemore, 1973）。

其中3号、4号猫分别接受正常视觉输入和看到竖直条纹。

解释与分析：从实验本身开看，“方向选择型”（Orientation-selective）的形成和比例与较大的轮廓性视觉正相关。

视皮层不仅对静止可以适应于物体的形状、明暗，还可以适应物象的运动。

这充分体现了视觉形成的综合性、复杂性。

2 总结：视皮层适应性变化的探究过程
通过对各种不同实验的简述，回顾了对猫视皮层感受野在外界环境影响下变化过程的认识过程，并对实验进行了分析与优化。

视觉系统的各部分精密有效地传送信息，并进行综合、
处理，是动物对复杂环境适应的条件。

在发育早期，外界视觉信息的输入可以极大地影响视系统的发育；异常视觉信息输入会导致异常视觉系统特征得产生。

视皮层功能的适应性变化可能有利于对不同环境的适应。

参考文献
1. Colin Blakemore, Grahame F. Cooper, Development of the Brain depends on the Visual Environment,[J] Nature, 228:477~478(1970)
2. Colin Blakemore, Donald E. Mitchell, Environmental Modification of the Visual Cortex and the Neural Basis of Learning and Memory [J] Nature, 241:467~468(1972).
3. Helmut V. B. Hirsch and D. N. Spinelli,Visual Experience Modifies Distribution of Horizontally and Vertically Oriented Receptive Fields in Cats, [J]Science, 168：869-871（1970).
4. Hubel. D. H, Wiesel, T. N, Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cat's visual cortex, [J] Journal of Physiology, 160: 106-154 (1962).
5. Hubel. D. H, Wiesel. T. N, The period of susceptibility to the physiological effects of unilateral eye closure in kittens [J] Physiology,206,419(1970)
6.Richard C. Van Sluyiters, Colin Blakemore, Experimental Creation of Unusual Neuronal Properties in Visual Cortex of Kitten [J] Nature, 246:506~508(1973)
7.Kuffler S. W. Discharge patterns and functional organization of mammalian retina. [J] Neurophysiol,16: 37 (1953)。