短暂新生儿视觉剥夺对人类腹侧枕颞皮层发育的影响：早期经验塑造视觉层级处理的关键窗口

《Nature Communications》：Impact of a transient neonatal visual deprivation on the development of the ventral occipito-temporal cortex in humans

本研究针对早期短暂视觉剥夺如何影响人类视觉系统发育这一关键问题，通过对白内障逆转患者进行fMRI研究，发现早期视觉皮层(EVC)低阶视觉特征编码永久受损，而腹侧枕颞皮层(VOTC)类别表征保持完整。研究人员结合DNN模拟证实，尽管早期输入受损，高阶视觉区域仍能发展出结构化类别表征，揭示了视觉层级不同区域对经验依赖性的差异。

　　

当我们闭上眼睛，视觉世界便瞬间消失。但如果在生命最初阶段就缺乏视觉经验，大脑的视觉系统会如何发育？这一直是神经科学领域的关键问题。先天性白内障患者由于出生时晶状体混浊，经历了短暂的视觉剥夺，随后通过手术恢复视力，为研究早期视觉经验对大脑发育的作用提供了独特模型。

传统观点认为，视觉处理遵循严格的层级结构，低阶区域（如早期视觉皮层EVC）的损伤会产生"级联效应"，导致高阶区域（如腹侧枕颞皮层VOTC）更严重的功能缺陷。然而，这种假设缺乏直接证据。早期视觉经验是否对VOTC中类别选择性表征的形成至关重要？不同视觉区域是否对经验剥夺具有不同的敏感期？这些问题仍有待解答。

为了解决这些问题，由Stefania Mattioni和Olivier Collignon领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新研究。他们招募了15名白内障逆转个体（视觉剥夺时间平均69天）和17名正常视力对照组，使用功能磁共振成像(fMRI)结合多变量分析方法和深度神经网络(DNN)模拟，系统探讨了短暂新生儿视觉剥夺对视觉层级处理发展的影响。

关键技术方法

研究采用事件相关fMRI设计，使用5类视觉刺激（身体、面孔、房屋、工具、词语）。通过表征相似性分析(RSA)和多元模式解码分析脑活动，并使用深度神经网络(AlexNet)模拟不同视觉经验条件。控制实验通过图像模糊和模拟眼震匹配白内障组的视觉缺陷。数据分析采用基于搜索球的多变量模式分析和阈值自由簇增强(TFCE)校正。

视觉敏锐度和行为反应

如预期那样，白内障逆转组的视觉敏锐度（平均logMAR为0.21）显著低于对照组（平均logMAR为0.01）。然而，在fMRI任务中的行为表现两组间无显著差异（对照组94% vs 白内障组91%），表明白内障组能够有效完成实验任务。

单变量分析结果

单变量分析显示，所有组别在各类别特异性对比中（如身体>其他、面孔>其他等）都激活了预期的类别选择性脑区，如纹外身体区、梭状回面孔区、海马旁回位置区等。组间比较发现，白内障组在V1小部分区域激活较弱，但VOTC区域无显著差异，挑战了"级联损伤"假说。

表征相似性分析：低阶与高阶表征模型

RSA结果显示，HmaxC1模型（低阶视觉特征）与早期视觉皮层活动相关性最高，而类别模型与VOTC活动相关性最高。关键发现是：白内障组与对照组相比，仅在V1区域与HmaxC1模型的相关性显著降低，而与类别模型在VOTC的相关性无组间差异。

解码分析

类别内项目解码分析（区分同一类别内的6个项目）显示，在所有类别中，白内障组在V1的解码精度显著低于对照组。这一结果与HmaxC1模型的RSA分析一致，表明白内障逆转个体在V1对低阶视觉属性的表征受损。

深度神经网络模拟

DNN分析再现了这种双重分离现象：在早期层（V1样层），白内障样和模糊对照样模型都表现出降低的类别间解码精度；但在深层（VOTC样层），白内障样模型能够达到对照组样性能，而模糊对照样模型始终受损。这表明长期经验可以补偿早期剥夺的影响。

研究结论与意义

这项研究揭示了视觉层级处理对不同敏感期的显著差异：早期视觉皮层对生命最初几个月的视觉经验特别敏感，短暂剥夺会导致低阶视觉处理的永久性缺陷；而腹侧枕颞皮层中的类别表征则表现出韧性，即使早期输入受损，仍能通过后续视觉经验发展出正常结构。

控制实验进一步强化了这一结论：当正常视力个体接受模拟白内障视觉缺陷的刺激时（模糊对照组），EVC和VOTC都出现表征退化；而白内障组仅EVC受损，VOTC保持完整。这种分离模式表明，白内障组的神经特征不能单纯用当前视觉输入质量差来解释，而是反映了早期视觉剥夺后的长期发育适应。

DNN模拟为这种韧性提供了计算机制解释：尽管早期视觉输入受损，但长期视觉经验仍能支持高阶类别表征的出现。这表明白内障逆转个体可能通过学习将退化的视觉输入与语义类别信息相关联，从而发展出结构化的VOTC表征。

该研究挑战了视觉发育的传统观点，表明高阶视觉区域并不严格依赖早期完整视觉经验和完整的上游输入，而是具有相当的发育可塑性。这些发现对理解敏感期的本质、视觉康复策略的优化以及跨感官可塑性机制都有重要意义，为临床干预提供了新的理论依据。