高分辨率功能磁共振揭示成人弱视的皮层下视觉通路神经机制

　　

　　幼年异常的视觉经验（如屈光参差或斜视）会导致弱视，严重损伤视锐度、颜色和立体视觉、眼动和注意等视觉功能，发病率在3%左右。由于技术上的限制，弱视在人类大脑中的神经机制尚不清楚，目前成人弱视缺乏针对性的有效治疗方法。从神经科学的角度，弱视是一个很好的神经发育模型，能够用来研究视觉经验依赖的发育可塑性神经机制。目前的主流观点认为弱视主要影响人类早期视觉皮层，而进化上保守的皮层下通路是否存在视觉经验依赖的发育可塑性是有待回答的重要科学问题。通过3T和7T高分辨率功能磁共振（fMRI）对人脑皮层下视觉核团的精细功能区进行成像，生物物理所张朋课题组与复旦大学附属眼耳鼻喉医院的合作者研究了幼年异常视觉经验对成人弱视皮层下视觉通路的影响。

3T/7T fMRI揭示弱视的外膝体-V1小细胞通路和皮层-上丘通路的损伤和代偿机制 (Wen and Wang et al., 2021)

　　研究人员基于非人灵长类外膝体神经元的反应特性设计了选择性激活大细胞（magnocellular,M）和小细胞（parvocellular,P）通路的M刺激和P刺激（如图所示），呈现给单眼弱视患者的弱视眼（AE）、对侧眼（FE）和健康对照的正常眼（NE）。结果表明当弱视眼呈现P刺激时，外膝体小细胞层的功能响应相较于对侧眼和正常眼出现了较大程度的下降，而呈现M刺激时大细胞层的功能响应相对正常。相对于正常眼，上丘表层对弱视眼呈现P刺激的反应显著下降，而对侧眼在上丘深层则出现了显著的反应增强。由于灵长类上丘不存在对颜色敏感的视网膜侏儒神经节细胞的直接输入，这里发现的上丘对颜色P刺激的反应异常应来自皮层输入。此外，腹侧丘脑枕，早期和腹侧视皮层对弱视眼呈现P刺激的反应也出现了选择性下降。进一步的有向功能连接分析表明，弱视减弱了外膝体P细胞层到V1的前馈连接，并很好的预测了弱视的视力损伤；而上丘的功能异常则来自皮层上的输入。

　　该研究揭示了成人弱视外膝体-V1小细胞通路和皮层-上丘通路的功能异常，挑战了弱视主要影响视皮层的传统观点。外膝体小细胞通路主要编码空间细节和颜色，其功能损伤为弱视的视锐度和颜色知觉损伤提供了直接证据。上丘通路主要负责眼动和注意控制，弱视眼反应下降和对侧眼反应增强说明上丘在眼动和注意控制上更加依赖对侧眼的视觉信息，并且上丘的注意功能异常可能进一步影响了外膝体-皮层通路的视觉加工。这些发现为弱视的治疗提供了新的思路，例如针对外膝体小细胞通路的视锐度训练和针对上丘通路的注意训练相结合的新模式。总之，该研究揭示了幼年异常视觉经验对人类皮层下视觉神经环路的影响，为开发针对弱视神经损伤位点的有效训练方法提供了重要依据。

　　论文于2021年12月14日发表在《Cell Reports》。复旦大学附属眼耳鼻喉科医院的文雯副主任医师和中科院生物物理所的博士生王跃为共同第一作者，中科院生物物理所张朋研究员、复旦大学附属眼耳鼻喉科医院赵晨教授和上海儿童医学中心的刘红教授为共同通讯作者。中科院生物物理所何生研究员、复旦大学附属眼耳鼻喉科医院孙兴怀教授、温州医科大学附属眼视光医院周佳玮教授为共同作者。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.110117

　　高分辨率fMRI能够突破传统fMRI局限在脑区水平的瓶颈，在全脑范围内对人脑精细的介观尺度功能单元进行成像，这种高特异性的成像手段能够从本质上提升fMRI信号的可解释性，弥补传统fMRI特异性不高而神经科学方法有损伤且采样范围小的缺点。生物物理所张朋课题组在国际上较早将3T/7T高分辨率功能磁共振(fMRI)技术应用于认知神经科学和医学研究。代表性成果包括人类外膝体和上丘功能分层(Qian et al., 2020; P. Zhang et al., 2015)，外膝体大细胞层的对比度学习机制(Yu et al., 2016)，早期青光眼外膝体大细胞层的功能损伤(Zhang et al., 2016)，成人弱视的皮层下通路功能异常(Wen and Wang et al., 2021)，基于皮质功能柱和分层成像研究了人类视觉注意和意识的神经机制( Liu and Guo et al., 2020; de Hollander et al., 2021; Shao et al., 2021; Ge et al., 2020; Zhang et al., in press)。

人脑视觉系统高分辨率fMRI图谱

　　参考文献:

　　Wen, W., Wang, Y., Zhou, J., Sun, X., He, S., Liu, H.*, Zhao, C.*, & Zhang, P.* (2021). Loss and enhancement of layer-selective signals in geniculostriate and retinotectal pathways of adult human amblyopia. Cell Reports, 37(11). https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.110117

　　Shao, X., Guo, F., Shou, Q., Wang, K., Jann, K., Yan, L., Toga, A. W., Zhang, P., & Wang, D. J. J. (2021). Laminar perfusion imaging with zoomed arterial spin labeling at 7 Tesla. NeuroImage, 118724. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.118724

　　de Hollander, G.*, van der Zwaag, W., Qian, C., Zhang, P.*, & Knapen, T.* (2021). Ultra-high field fMRI reveals origins of feedforward and feedback activity within laminae of human ocular dominance columns. NeuroImage, 228. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2020.117683

　　Zhang, J., Jiang, Y., Song, Y., Zhang, P., & He, S. (in press). Spatial organization of face part representations within face-selective areas revealed by high-field fMRI. ELife. https://doi.org/10.1101/2021.06.23.449598

　　Liu, C., Guo, F., Qian, C., Zhang, Z., Sun, K., Wang, D. J. J., He, S., & Zhang, P.* (2020). Layer-dependent multiplicative effects of spatial attention on contrast responses in human early visual cortex. Progress in Neurobiology, 207. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2020.101897

　　Qian, Y., Zou, J., Zhang, Z., An, J., Zuo, Z., Zhuo, Y., Wang, D. J. J., & Zhang, P.* (2020). Robust functional mapping of layer-selective responses in human lateral geniculate nucleus with high-resolution 7T fMRI. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 287(1925). https://doi.org/10.1098/rspb.2020.0245

　　Ge, Y., Zhou, H., Qian, C., Zhang, P., Wang, L., & He, S. (2020). Adaptation to feedback representation of illusory orientation produced from flash grab effect. Nature Communications, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17786-1

　　Yu, Q., Zhang, P., Qiu, J., & Fang, F. (2016). Perceptual Learning of Contrast Detection in the Human Lateral Geniculate Nucleus. Current Biology, 26(23). https://doi.org/10.1016/j.cub.2016.09.034

　　Zhang, P.*, Wen, W., Sun, X., & He, S.* (2016). Selective reduction of fMRI responses to transient achromatic stimuli in the magnocellular layers of the LGN and the superficial layer of the SC of early glaucoma patients. Hum Brain Mapp, 37(2). https://doi.org/10.1002/hbm.23049

　　Zhang, P.*, Zhou, H., Wen, W., & He, S.* (2015). Layer-specific response properties of the human lateral geniculate nucleus and superior colliculus. NeuroImage, 111. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2015.02.025

 

（供稿：张朋研究组）