突破认知！探究脂肪组织如何影响胎儿接收的经皮单色光，解锁子宫内视觉奥秘

为解决胎儿视觉研究中光刺激相关问题，新西兰怀卡托大学研究人员开展经皮单色光对胎儿影响的研究。结果显示合适激光刺激可照亮子宫，波长 600 - 700nm 为宜。该研究为相关领域提供定量指导，值得科研读者一读。

　　

在神秘的生命孕育过程中，胎儿在子宫里的视觉世界一直是个未解之谜。以往，人们普遍认为子宫是个黑暗的环境，外界的光线很难穿透母亲的腹部组织，为胎儿带来视觉刺激。但随着研究的不断深入，一些有趣的发现开始动摇这一传统认知。

有研究表明，人类胎儿能对外部的听觉、嗅觉刺激做出反应，这不禁让人好奇，他们对视觉刺激是否也有感知呢？一些针对动物的实验发现，猪和豚鼠的子宫环境中似乎有足够的光线，能让胎儿产生视觉刺激。而且，对人类胎儿视觉环境的定量建模研究显示，很多胎儿在子宫里可能处于有足够光线、能产生视觉体验的环境中 。后续研究还发现，子宫内的光线对小鼠眼睛的正常发育至关重要，这也引发了人们对所有哺乳动物在妊娠期视觉系统发育是否都依赖光线的思考。

然而，目前关于胎儿视觉研究还存在诸多问题。一方面，虽然有研究表明胎儿可能会接触到光线，但对于经皮光源（transdermal light sources）能在多大程度上照亮子宫环境，人们知之甚少。另一方面，之前对到达胎儿的光线进行建模的研究方法存在局限性。比如，扰动方法主要关注光子在胎儿体内的传输，却不关心子宫照明情况以及胎儿所感知的刺激外观；通过测量生物组织样本的光传输来模拟子宫腔的一般照明，这种方法灵活性差，无法全面反映真实情况；利用蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）模拟来展示胎儿区分刺激的难度，却采用了过于简单的组织模型，忽略了母体组织的多层结构和不均匀性；在经腹胎儿监测等领域的计算建模，关注重点与胎儿视觉研究的核心问题不相关，且研究的波长范围也与胎儿视觉研究不同。此外，由于胎儿眼睛发育较晚，目前胎儿视觉发展研究主要集中在妊娠晚期（third trimester of pregnancy），但以往研究在建模时却未充分考虑这一阶段的特点。

为了深入探究这些问题，来自新西兰怀卡托大学（University of Waikato）数学系的 Zac Isaac、Jacob Heerikhuisen，以及该校心理学学院的 Vincent Reid 在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “The effect of adipose tissue on transdermal monochromatic light presented to the human fetus using Monte Carlo simulations” 的论文。他们通过研究发现，合适的激光二极管刺激（laser diode stimuli）可以在一定程度上照亮人类子宫环境。而且，刺激胎儿的光线波长在 600nm - 700nm 之间时，胎儿更有可能检测到；其中，650nm 的波长可能是较为理想的刺激波长。同时，他们还发现母体腹部脂肪厚度对到达胎儿的光线强度和照度影响很大，并且研究了多个经皮单色刺激（transdermal monochromatic stimuli）在子宫内的区分度问题。这项研究为胎儿视觉研究、超声检查以及发展心理学等领域提供了重要的定量指导，有助于人们更好地理解胎儿在子宫内的视觉感知情况。

在这项研究中，研究人员主要运用了蒙特卡罗（MC）计算建模技术。该技术通过模拟光子在物质中的传输过程，来研究光线在母体腹部组织中的传播情况。研究人员基于妊娠晚期孕妇的组织特性，开发了一个 MC 模型，该模型包含五层结构，分别代表母体的皮肤、脂肪、肌肉、子宫以及羊水。他们通过调整模型中脂肪层的厚度，模拟不同孕妇的身体状况，同时选择了多个波长的光线进行模拟，以探究不同波长光线的穿透能力。

下面我们来详细看看研究的结果。

不同波长光线的穿透能力

研究人员首先模拟了单个单色光束在组织模型中的传播。他们选取了从 400nm 到 700nm 的多个波长，模拟这些光线垂直入射到母体腹部皮肤的情况。从模拟结果的图像（图 2）可以直观地看出，波长较长的光线对穿透子宫的影响更大。例如，650nm 波长的光线在胎儿检测层的强度分布最广，而 450nm 波长的光线强度则很弱，400nm 波长的光线甚至无法到达胎儿检测层。在图 3 中，随着波长的增加，胎儿检测层记录的强度也明显增加，这进一步证实了波长较长的光线更容易穿透母体组织到达胎儿。由此可见，在这些模拟波长中，650nm 波长的光线在穿透母体组织方面具有明显优势，这也为后续实验中选择 650nm 波长的刺激提供了依据。

脂肪厚度对光线强度的影响

脂肪层在母体腹部组织中起着重要作用。研究人员通过调整模型中脂肪层的厚度（分别设置为 1.0cm、1.5cm、2.0cm 和 2.5cm），研究其对光线传播的影响。从图 4 可以看出，随着脂肪层厚度的增加，到达羊水的光线强度明显降低。这是因为脂肪组织对光线的吸收和散射能力较强，相比皮肤和羊水等其他组织，更多的光线在脂肪层中被吸收和散射，导致到达羊水和胎儿的光线减少。在图 5 中，当脂肪层厚度增加时，光束在组织 - 羊水界面的相对强度也显著下降。这表明脂肪厚度的增加会严重衰减光线，对胎儿接收到的光线强度有很大影响。此外，研究人员还发现，减少 0.5cm 的脂肪组织，在组织 - 羊水界面最终测量到的相对 fluence rate（能量通量率，即每单位面积、每单位时间通过的能量）平均会增大 15 倍左右，这进一步量化了脂肪厚度对光线强度的影响。

光线刺激在子宫内的呈现效果

为了探究经皮单色准直光源刺激（transdermal monochromatic collimated source stimuli）在子宫内对胎儿的呈现效果，研究人员模拟了不同脂肪厚度下单个光束在组织 - 羊水界面的情况（图 5）。由于羊水对光线的吸收和散射系数较低，到达该界面的光线很可能继续传播到胎儿。从模拟结果可以看出，随着脂肪厚度的增加，光束的最大相对强度下降。而且，在羊水中，光束强度通常比在界面处低，但几何扩散更明显，这意味着光线在羊水中传播时会更加分散。通过图 6，研究人员展示了光束在组织 - 羊水界面沿 x 方向的相对强度与最大强度的关系，这可以帮助我们了解光线在母体组织中传播后的水平扩散情况。对于实验应用来说，了解这一信息很重要，因为它可以指导我们确定经皮刺激在母体腹部的合适水平分离距离，以确保在子宫内呈现给胎儿的刺激保持视觉上的清晰可辨。

多个刺激的区分度

在实际的胎儿视觉研究中，经常会涉及到向胎儿呈现多个不同的光线刺激。研究人员模拟了两个经皮单色刺激在子宫内的情况，设置了 18mm、25mm 和 35mm 三种光源分离距离（图 8、图 9）。从模拟结果的强度分布可以看出，18mm 的分离距离在所有模拟的组织厚度下，都无法使刺激呈现出明显的区别；25mm 的分离距离在模拟中，对于部分组织厚度可以产生合理的区分效果；而 35mm 的分离距离在所有模拟的组织厚度下，都能使刺激呈现出明显的强度差异。从图 10 中不同分离距离下两个光束相对强度的变化也可以看出，随着光源距离拉近，两个光束的强度区分度降低；随着脂肪组织厚度增加，光束在组织 - 羊水界面的区分度也逐渐降低。这表明在设计涉及多个经皮单色光源的实验时，需要充分考虑光源的分离距离和母体脂肪厚度，以确保胎儿能够区分不同的刺激。

光线照度的转换与分析

之前研究中的图像大多展示的是相对光强度，为了更直观地理解这些刺激对胎儿来说有多 “亮”，研究人员将模拟的强度转换为照度（illuminance）。他们使用公式进行转换，其中对于单波长模拟，公式简化为 。在选择使用明视觉（photopic）还是暗视觉（scotopic）光度函数时，考虑到子宫内光线水平不确定且胎儿眼睛发育情况未知，研究人员假设低光水平，选择了暗视觉光度函数。通过计算不同脂肪厚度下的照度，研究人员发现，当脂肪厚度为 1.0cm - 1.5cm 时，子宫壁能得到较好的照明，照度水平与满月到上弦月之间的自然光照度相当；而当脂肪厚度达到 2.0cm 及以上时，子宫壁的照明效果不佳，照度水平可能对胎儿来说不太明显。这进一步说明了脂肪厚度对子宫照明的重要影响，也为评估不同孕妇情况下胎儿接收到的光线情况提供了更直观的依据。

研究结论与意义

综合上述研究结果，这项研究通过蒙特卡罗模拟，为我们揭示了胎儿在子宫内的视觉环境的诸多奥秘。研究表明，合适的激光二极管刺激可以照亮子宫环境，而且波长在 600nm - 700nm 之间的刺激更有利于胎儿检测，650nm 波长可能是最理想的选择，这为未来的胎儿视觉实验提供了重要的波长选择依据。同时，母体腹部脂肪厚度对到达胎儿的光线强度和照度有显著影响，较厚的脂肪层会严重衰减光线，降低胎儿接收到的光线强度和照度。因此，在进行胎儿视觉刺激实验时，有必要考虑孕妇的脂肪厚度，可以通过超声测量腹部脂肪厚度，筛选合适的实验参与者，以确保实验结果的有效性。此外，研究还发现，多个经皮单色刺激在子宫内的区分度与光源分离距离密切相关，18mm 的分离距离很难使胎儿区分不同刺激，35mm 的分离距离则更有可能产生明显区分，25mm 的分离距离效果则取决于胎儿的视觉系统能力。这对于设计涉及多个刺激的胎儿视觉实验具有重要的指导意义，可以帮助研究人员合理设置刺激参数，提高实验的准确性和可靠性。

然而，这项研究也存在一些局限性。比如，研究中只考虑了脂肪层厚度的变化，未来还需要研究肌肉层和子宫层厚度变化对光线传播的影响；研究假设胎儿眼睛是睁开的，未考虑胎儿闭眼时的情况，也没有考虑皮肤颜色、衣物等因素对光线传播的影响；同时，研究中模拟的腹部组织是平面的，而实际母体腹部是有曲率的，这些因素都可能影响研究结果的准确性。但这并不影响这项研究的重要价值，它为我们打开了一扇了解胎儿视觉世界的窗户，为后续更深入的研究奠定了坚实的基础。相信在未来，随着研究的不断深入，我们对胎儿在子宫内的视觉感知会有更全面、更深入的认识。