腦光學成像對眼優勢柱及其可塑性的研究進展

　　視覺發育的關鍵期，單眼視覺剝奪產生眼優勢柱移動，其可塑性機制的認識目前尚不明確，有關研究將為弱視的康復奠定基礎。腦光學成像為眼優勢柱的功能解剖和電生理的深入研究提供了較為有效的方法。綜述腦光學成像的方法，眼優勢柱的可塑性，以及眼優勢柱與方位優勢柱的光學特征、相互關系等。

　　引言

　　弱視的康復已成為廣泛關注的課題。目前認為，視覺剝奪導致視功能的改變發生在視皮質，取決于神經發育期神經元連接的活動依賴性重塑。采用內稟信號（intrinsic signal）對眼優勢柱成像，處于視覺發育關鍵期的貓，在單眼遮蓋24h后觀察皮質反應的丟失，這種短期剝奪產生一種強而不飽和的眼優勢柱移動。在發育期，對順時針和逆時針紙風車結構的維持需要較大的相互作用范圍和驚人的突觸連接重塑。眼優勢柱的功能和形態的可塑性研究的深入，需要借助和不斷改進腦光學成像的方法。

　　1 腦光學成像的原理和方法

　　1.1 成像原理

　　在一定的刺激條件下，腦內神經元的興奮可能引起以下變化：①引起神經元快速的神經活動，如釋放遞質、細胞間隙收縮或擴張、水分子轉運等，并由此導致散射光的變化。②引起神經元代謝活動的驟增，繼而使附近毛細血管中去氧血紅蛋白含量升高。③接著又會引起局部血流的增加，局部毛細小血管中含氧血紅蛋白含量升高。這3種生理過程，將會引起局部腦對特定波長光的吸收率發生變化。光散射成分與神經元活動關系密切，出現最快，而與腦微循環相關的其他成分則慢得多。利用上述與腦內神經元活動有關的光學變化，用電荷耦合器件攝像機便可將整片腦區中的興奮區域和相對不興奮區域記錄下來，并用計算機圖像處理技術區分出來，并顯示在二維平面上。

　　1.2 技術方法

　　腦光學成像研究尚處在動物實驗應用階段。因為，無論是采用電壓敏感性染料還是活性依賴的內稟信號進打腦光學成像，均受顱骨的限制。其主要成像條件為：實驗對象的準備、視覺刺激器、顯微鏡、照相機、計算機及相應軟件、顯示器等。

　　動物準備：雪貂、幼貓、短尾猿猴等均有應用。在肌松麻醉和清醒狀態下，采用立體定位儀固定、開顱，幼貓可保留完整硬腦膜，猴等動物的硬腦膜須打開，嘗試不打開猴的硬腦膜未獲成功；密封的不銹鋼小房放置在暴露的皮質上以減少腦波動。

　　內稟信號的采集：慢掃描電子耦合器件照相機安置在小房上。照相機具有一前一后兩個透鏡，呈高采集能力和淺深度聚焦。采用8個方位（0°，22.5°，45°，67.7°，90°，112.5°，135°，157.5°）的移動光柵進行視覺刺激，每個刺激2s，3s內采集5 -10幀。光學成像的功能圖基于內稟信號，顯示上皮質層（50-600um）的結構信息。

　　資料處理：比較動物接受不同刺激時的皮質影像，形成功能圖。校正不均勻照明效應和其他來自微血管的噪聲干擾。這些圖像中每一圖像由動物觀看空白屏幕時的“空白”影像分開，形成單刺激圖。采用不同方位8個刺激，其向量從刺激到反應與每一個像素結合。每一像素的結果向量由其角度和放大形成特征，在未進行修飾下，采用這些值顯示角度和角度放大圖，隨后顯示方位優勢角度以外的平均反應放大。

　　2  眼優勢柱的腦光學成像特征及可塑性研究

　　在貓和猴視皮質發現，具有相同反應特性的細胞通常呈簇狀聚集，形成柱或結節，常穿過整個皮質層，從軟腦膜至白質。然而，在哺乳動物的所有皮質區，平行于皮質表面的功能結節的精確結構仍未闡明。在短尾猿猴初級視皮質，精細的突觸聯系使得皮質細胞具有驚人的選擇反應特性。單細胞可對不同類型的視覺刺激選擇性地反應，如：已知方位的邊界、特別的顏色、運動的特殊方向和視差。在猴的初級視皮質，已經闡明3類功能分離的視反應特性：①認識最多的是左和右眼輸入的分離，這些分離的輸入形成眼優勢柱，是近于相互平行的400um厚片層狀結構。②其次是同方位優勢柱（帶），每一柱內包含對給定方位刺激反應最大的細胞。③第3個亞系統包括對諸如顏色空間頻率視刺激有選擇性的神經元，這些細胞位于細胞色素氧化酶小斑。

　　眼優勢柱的腦光學成像特征：在猴的初級規皮質已經闡明3類功能分離的視反應特性，認識最多的是左和右眼輸入的分離，這些分離的輸入形成眼優勢柱，呈近于相互平行的400um厚片層狀結構。視皮質同一片的眼優勢圖顯示，片層狀結構呈明暗相間的平行帶，這些帶分別與左眼和右眼眼優勢相對應。

　　眼優勢柱的可塑性研究：為檢查不同皮層聯系增強的初期變化，采用內稟信號對眼優勢柱成像，研究5只處于視覺發育關鍵期的貓，在單眼遮蓋24h后觀察皮質反應的丟失。在單眼剝奪期終止后立即進行試驗。這種短期剝奪產生一種強而不飽和的眼優勢柱移動，使能夠在可塑性出現時測量層間差異。在視覺剝奪動物的外顆粒層，清晰的眼優勢柱向非剝奪眼移動是明顯的，而在輸入層（Ⅳ層）卻不明顯。

　　最大可塑性的皮質區，即雙眼視的鞍狀點，為類似眼優勢柱的連接峰。這些雙眼單視區在單眼剝奪后被認為由非剝奪眼接管，剝奪眼反應呈島狀集中在之前的眼優勢柱峰周圍。

　　可塑性在顆粒層發起，并在上層放大，發育期的皮質和較為成熟的皮質的可塑性有同源性，單眼剝奪在外顆粒層發生明顯變化而在Ⅳ層卻無明顯變化。這一觀點與成人體部感覺皮質的外顆粒層可塑性觀點一致。那么，如果Ⅳ層的變化不再是指導性或基本的，什么在Ⅳ層的可塑性上發揮作用？Ⅳ層的重塑或許需要籍以使更為高級的皮質回路進一步精細的基礎。外顆粒層反應變化發生在Ⅳ層呈現可塑性之后，變化將是可逆的。針對外顆粒層重塑發生的可能機制，一種說法是，興奮的水平連接的較長幅度的加強。Ⅳ層缺乏水平連接，水平連接傳遞細胞經典的接受野以外的次閾值興奮，在缺乏強的垂直輸入時會發生變化，能夠向其目標傳遞高于閾值的興奮，這些連接效能的迅速變化，可以在無來自Ⅳ層的輸入變化時外顆粒層眼優勢柱產生明顯的移動。

　　3 眼優勢柱與方位優勢等的關系

　　方位優勢柱的腦光學成像特征：以活動依賴內稟信號為基礎的腦光學成像揭示，大多數方位優勢的組織特征呈放射狀排列，形成一種圍繞奇點的紙風車狀的結構。這些紙風車狀的結構中，80%以上沿眼優勢柱的中線集中。相鄰風車的同方位柱輪廓以大約直角穿過眼優勢柱邊緣，具有相同或相反方向眼優勢變化的風車相互聯系。

　　在離散角圖，每一顏色編碼代表一特定的方位優勢范圍。因此，每一顏色與以22.5°分辨率呈現的同方位柱相對應。離散角圖有益于顯示皮質表面的同方位輪廓的方向。然而，不能區分皮質表面的方位優勢呈平穩抑或分離的變化，用連續色階顯示這些資料，表明除少數奇點外，方位優勢確實連續變化，和在皮質表面呈連續性?？v觀20只猴的>30°角圖，提示同方位圖的大多數明顯特征為放射狀、紙風車狀結構，典型的風車放大像是對相同的角圖的一部分放大而成。很清楚，同方位柱圍繞在一奇點有序地放射狀排列，且每一方位優勢只再現一次。為顯示方位優勢的逐漸變化，用連續顏色階還描述一同樣的風車。在紙風車結構內，方位優勢神經元的連續變化是圍繞奇異點呈放射狀。

　　眼優勢柱和方位住的關系：評價視皮質同一小片的眼優勢圖，顯示明暗相間的平行帶，這些帶分別與左眼和右眼眼優勢柱相對應。在圖上沿眼優勢柱邊界畫細線，邊界區為對任一眼反應均等的神經元所在的皮質區，這些邊界的確定由數字信息經計算機分析，然后添加在方位優勢圖上，呈現兩種功能柱的關系：大多數紙風車狀結構近乎集中在眼優勢柱結構的其中之一。81%沿同一眼優勢柱的中線聚集（中線為柱寬的1/10），其余風車中，大多數位于眼優勢柱邊界。另外，同方位眼優勢柱以直角跨過眼優勢柱邊界，即使在眼優勢柱高度彎曲的區域，76%的交角在75°和90°之間。

　　同方位服優勢柱呈紙風車狀結構，在眼優勢柱邊緣互相光滑地連接。相互連接的風車常有相反的方位優勢變化—順時針對逆時針。然而，并不總是這樣。有時可見在眼優勢往相鄰處見假奇點，是在相鄰風車以一定的角度相連并集中在兩個眼優勢柱時形成（如4個順時針風車按2×2排列，在兩眼優勢柱邊緣產生一假的逆時針風車）。在發育期，一些奇點集中在一些眼優勢柱片內，周圍為不同方位柱的有序的花瓣狀結構，形成紙風車狀結構。這種發育過程可能是動態的，只需要達到400um的小范圍相互作用，而對順時針和逆時針紙風車狀結構的維持，需要較大的相互作用范圍和驚人的突觸連接重塑?？偟膩碚f，猴初級視皮質方位優勢風車結構與貓17和18所見類，證實和豐富了之前的風車狀電生理圖。

　　盡管腦光學成像存在一些不足，如：打開硬腦膜后，腦壓變化引起一定程度的腦波動，成像范圍較小等。但對眼優勢柱移動的細胞內機制的研究已引起關注，這一問題的闡釋將為眼科臨床上一些眼病的視功能重建提供理論依據。有關研究需要借助腦光學成像的同時進行細胞閃電生理記錄。兩者結合的需要必將推動有關問題的解決，諸如：怎樣在不打開硬腦膜的情況下進行腦光學成像？如何在腦光學成像的同時進行整體動物細胞內記錄？