《PNAS》新视力者大脑的解剖学变化

麻省理工学院的神经科学家发现，在手术切除先天性白内障的儿童中，大脑视觉处理区域的白质发生了解剖学上的变化。

　　

几十年来，神经科学家们一直认为，在大脑学会理解视觉输入的过程中存在一个“关键时期”，而这个时期在6岁或7岁左右就结束了。

麻省理工学院教授Pawan Sinha最近的研究表明，情况比这更微妙。在对7岁以上接受先天性白内障手术的印度儿童进行的许多研究中，他发现年龄较大的儿童可以学习视觉任务，如识别面孔、从背景中区分物体和辨别动作。

在一项新的研究中，Sinha和他的同事们现在已经发现，在这些患者恢复视力后，他们的大脑发生了解剖学上的变化。研究人员还在这些患者身上观察到，大脑白质结构和组织的这些变化似乎是视力改善的基础。这一发现进一步支持了这样一种观点，即至少在某些视觉任务中，大脑可塑性的窗口期比之前认为的要长得多。

该研究本周发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。

麻省理工学院大脑和认知科学教授、该研究的作者之一Pawan Sinha说:“鉴于我们所看到的大脑结构重塑的显著程度，它强化了我们一直试图通过行为研究结果得出的观点，即所有儿童都应该接受治疗。”

白质可塑性

在美国等发达国家，患有白内障的婴儿在出生后几周内就会接受治疗。然而，在印度等发展中国家，这些病例得不到治疗的比例更高。

大约20年前，Sinha发起了一项名为“普拉卡什项目”的倡议，其使命是为印度的失明和视力受损儿童提供医疗服务。每年，该项目对数千名儿童进行筛查，其中许多人都戴上了眼镜，或接受了白内障手术等更先进的干预措施。其中一些孩子在征得家人同意的情况下，还参与了视力恢复后大脑视觉系统反应的研究。

在这项新研究中，研究人员想要探索他们是否能检测到大脑中的任何解剖学变化，这些变化可能与他们之前在接受治疗的儿童身上看到的行为变化有关。他们对19名年龄在7岁到17岁之间的参与者进行了扫描，扫描时间是在他们接受先天性白内障手术后的几个时间点。

为了分析大脑的解剖变化，研究人员使用了一种称为扩散张量成像的特殊类型的磁共振成像。这种类型的成像可以显示白质组织的变化，白质是连接大脑不同区域的神经纤维束。

扩散张量成像(Diffusion tensor imaging)追踪水分子中氢核的运动，产生两种测量结果:平均扩散率(衡量水分子运动的自由程度)和分数各向异性(揭示水被迫向一个方向而非另一个方向运动的程度)。

分数各向异性的增加表明水分子受到更大的约束，因为白质中的神经纤维朝向特定的方向。

研究人员特别在白质通路上观察到了这些变化，白质通路是视觉系统后期阶段的一部分，据信与面部感知等高阶功能有关。这些改善在手术后的几个月内逐渐发生。

研究人员还测试了参与者在各种视觉任务中的表现，发现他们区分人脸和其他物体的能力与与高阶视觉功能相关的白质通路的结构变化量有关。

相比之下，虽然接受治疗的儿童在视觉敏锐度上有所改善——能够清楚地看到远处物体的细节——但他们的敏锐度从未完全恢复，而且他们在早期视觉通路的白质组织上只显示出微小的变化。

“如果你看到分数各向异性增加，平均扩散率下降，那么你就可以推断出发生的事情是神经纤维的体积在增长，它们在排列方面变得更加有组织，”Sinha说。“当我们观察大脑的白质时，我们可以精确地看到一些白质束的这些变化。可塑性是一种有时间限制的资源，过了一定的时间，我们就不能指望有多大的改善，这一观念似乎对像敏锐度这样的低水平视觉功能是正确的，但当我们谈论更高层次的视觉技能时，比如区分人脸和非人脸，我们确实看到了随着时间的推移行为上的改善，我们还发现，我们在行为上看到的改善与我们在解剖学上看到的变化之间存在相关性。”

治疗的好处

研究人员还发现，年轻时摘除白内障的儿童比大一点的儿童在面部感知能力方面表现得更好、更快。然而，所有的孩子在这项技能上至少都有所提高，同时白质的结构也发生了变化。

研究结果表明，年龄较大的儿童可以从这种手术中受益，并提供了进一步的证据，表明应该向他们提供这种手术。

Sinha说:“如果大脑具有如此出色的自我重组甚至改变其结构的能力，那么我们真的应该利用这种可塑性，为儿童提供治疗，无论年龄大小。”

Sinha的实验室现在正在分析来自普拉卡什项目患者的额外成像数据。在一项研究中，研究人员正在调查治疗后患者的灰质厚度是否有任何变化，特别是在大脑的感觉处理区域。研究人员还使用功能性核磁共振成像(functional MRI)来尝试定位视觉功能，比如面部感知，看看这些功能是否出现在与天生视力正常的人相同的大脑区域。